دسته‌ها
فیزیک سوم دبیرستان فیزیک یازدهم مغناطیس مغناطیس

میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

اورستد دانشمند دانمارکی، در سال ۱۸۲۰ میلادی مشاهده کرد که عقربه مغناطیسی در کنار سیم حامل جریان الکتریکی منحرف می شود. او با انجام آزمایش های بیشتر کشف کرد که عبور جریان الکتریکی از یک سیم رسانا، در اطراف آن یک میدان مغناطیسی به وجود می آورد. این کشف اورستد یعنی میدان مغناطیسی سیم حامل جریان الکتریکی، گام مهمی در راه درک رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس بود که به گسترش مبحث الکترومغناطیس انجامید.

ph11 s3 flowfield 01 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

در شکل بالا یک سیم رسانا را از وسط یک مقوا گذرانده ایم و دو سر سیم را به یک مدار الکتریکی ساده شامل باتری و رئوستا بسته ایم. وقتی جریان الکتریکی در مدار برقرار می شود، میدان مغناطیسی سیم حامل جریان نیز ایجاد می شود که برای مشاهده آن کافیست عقربه مغناطیسی را روی مقوا و در اطراف سیم حرکت دهیم. با توجه به جهتی که عقربه ها نشان می دهند مشاهده می شود، میدان مغناطیسی به صورت دایره های هم مرکز در اطراف سیم هستند.

magnetic flow current میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

واضح است که اندازه میدان مغناطیسی در اطراف سیم حامل جریان با فاصله آن از سیم رابطه عکس دارد. یعنی هر چه از سیم دورتر شویم، میدان مغناطیسی ضعیف تر می شود. و از آنجایی که فضای میدان مغناطیسی فضایی محدود است، اگر به اندازه کافی از سیم دور شویم، میدان مغناطیسی به صفر می رسد. می دانیم هر چه میدان مغناطیسی قوی تر باشد، خطوط میدان به یکدیگر نزدیکترند.بنابراین اگر براده های آهن در اطراف سیم حامل جریان قرار دهیم (مانند شکل زیر)، در نزدیکی سیم انباشتگی بیشتری دارند.

 

ph11 s3 flowfield 14 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

محاسبه میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

میدان مغناطیسی در فاصله r از جز کوچکی از سیم ds از رابطه زیر بدست می آید.

ph11 s3 flowfield 02 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

که قطعا این رابطه در محدوده دروس دبیرستان و کنکور نمی گنجد. اما اگر سیم رسانا مستقیم و بسیار طویل باشد می توان با تقریب مناسبی میدا مغناطیسی را به صورت زیر محاسبه کرد.

ph11 s3 flowfield 03 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

که در این رابطه r فاصله عمودی از سیم حامل جریان است.

این قسمت در کتاب فیزیک ۲ نظام جدید (۶-۳-۳) برای رشته های علوم تجربی و ریاضی و فیزیک حذف شده است و نیازی به مطالعه چگونگی محاسبه این میدان نخواهیم داشت. از اینرو ما نیز مثالی برای این قسمت ارائه نمی دهیم و چیزی که برای کتاب جدید مهم است تعیین جهت میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان الکتریکی است که در زیر به آن می پردازیم.

تعیین جهت میدان مغناطیسی سیم حامل جریان به کمک قاعده دست راست

کافیست انگشت شست دست راست را در امتداد جهت جریان الکتریکی قرار دهیم و چهار انگشت را به دور سیم به سمت کف دست بچرخانیم. مانند شکل زیر که جهت میدان مغناطیسی پاد ساعتگرد دور سیم است.

magnetic flow righthand میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

اگر جهت جریان سیم به سمت داخل صفحه باشد (شکل الف) جهت میدان مغناطیسی ساعتگرد و اگر جهت جریان سیم به سمت بیرون صفحه باشد (شکل ب) جهت میدان مغناطیسی پاد ساعتگرد می شود.

magnetic flow inout میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

در صورتی که سیم موازی با صفحه باشد مانند شکل های زیر میدان مغناطیسی در دو طرف سیم را به صورت درونسو یا برونسو نشان می دهیم.

magnetic flow inout2 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

چون اگر چهار انگشت را به سمت کف دست بچرخانیم، در یک سمت نوک انگشتان از بالا به سمت داخل صفحه فرود می آید و در سمت دیگر نوک انگشتان از زیر صفحه به سمت بالای صفحه می آید.

مثال ۱: شکل زیر، جهت میدان مغناطیسی در اطراف یک سیم افقی و مستقیم حامل جریان را نشان می دهد. در ناحیه بالای سیم، جهت میدان مغناطیسی درون سو و در ناحیه پایین ان برون سو است. جهت جریان را در سیم تعیین کنید.

ph11 s3 flowfield 04 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

پاسخ : از راست به چپ

مثال ۲: دریافت خود را از شکل های الف و ب بیان کنید.

ph11 s3 flowfield 05 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

پاسخ: شکل الف) خطوط میدان مماس بر مسیر میدان هستند و در فاصله مساوی از سیم، هم اندازه هستند ( به اندازه بردارها در شکل توجه کنید). ولی جهت انها تغییر می کند. با افزایش فاصله از سیم، میدان مغناطیسی کوچکتر می شود.

شکل ب) همانطور که در شکل مشاهده می شود هر چه از سیم دورتر می شویم فاصله بین  خطوط میدان افزایش می یابد پس میدان مغناطیسی کاهش می یابد. می دانیم هر چه خطوط میدان متراکم تر باشند، میدان قوی تر است.

همچنین می توانید قاعده دست راست برای تعیین جهت نیروی الکترومغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی را از این لینک مشاهده کنید.

مثال ۳: جهت میدان مغناطیی برایند (خالص) را ناشی از سیم های موازی و بلند حامل جریان را در هر یک از نقطه های a و b و c پیدا کنید. نقطه b در فاصله مساوی از دوسیم قرار دارد.

ph11 s3 flowfield 06 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

پاسخ: در نقطه a برون سو – در نقطه c درونسو – در نقطه b میدان صفر است.

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

اگر دو سیم موازی حامل جریان در کنار یکدیگر قرار گیرند، از آنجایی که میدان مغناطیسی هر کدام در محل دیگری به سیم حامل جریان نیرو وارد می کند، به یکدیگر نیرو وارد می کنند. طوری که اگر جریان دو سیم در یک جهت باشند، نیروی بین دو سیم ربایشی (شکل الف) و اگر جریان دو سیم خلاف هم باشند، نیروی بین دو سیم رانشی است (شکل ب).

ph11 s3 flowfield 07 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

مثال ۴: مطابق شکل زیر از دو سیم موازی، جریان های ثابتی می گذرد. اگر بردار میدان مغناطیسی برایند حاصل از دو سیم در نقاط M و N یکسان باشد، جهت میدان مغناطیسی در نقطه M درونسو است یا برونسو؟ نوع نیرویی که دو سیم به یکدیگر وارد می کنند، از چه نوع است؟

ph11 s3 flowfield 08 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

پاسخ: طبق قاعده دست راست میدان مغناطیسی حاصل از سیم ۱ در دو نقطه M و N به صورت درونسو است. اما میدان سیم ۲ در یک سمت درونسو و در سمت دیگر برونسو است. برای اینکه اندازه برایند دو میدان در دو نقطه یکسان شود، جریان سیم ۲ باید به سمت بالا باشد و البته کوچکتر از جریان سیم ۱٫ چون میدان ناشی از سیم ۲ در نقطه N برونسو می شود ولی برایند دو میدان به صورت درونسو در می آید و در سمت دیگر هر دو میدان در نقطه M درونسو خواهند بود. به محاسبات زیر توجه کنید:

ph11 s3 flowfield 09 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

میدان مغناطیسی ناشی از سیم ۱ در نقطه N بزرگتر از میدانش در نقطه M است و میدان مغناطیسی سیم ۲ در دو نقطه یکسان است چون فاصله اش از سیم در دو طرف یکسان است. پس محاسبه بالا میتواند اتفاق بیوفتد. اما اگر جریان سیم ۲ را خلاف جهت در نظر بگیریم محاسبات زیر را خواهیم داشت.

ph11 s3 flowfield 10 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

و این نمی تواند اتفاق بیوفتد چون میدان سیم ۱ در نقطه M نمی تواند بزرگتر است میدانش در نقطه N باشد.

بنابراین جریان در سیم ۲ به سمت بالا است که موجب می شود نیروی ربایشی بین دو سیم اتفاق بیوفتدو میدان مغناطیسی برایند در نقطه M درونسو است.

مثال ۵: در شکل زیر، جهت میدان مغناطیسی خالص ناشی از جریان در سیم های موازی، بلند و حامل جریان های مساوی I1 و I2 در نقطه های a و b چگونه است.

ph11 s3 flowfield 11 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

پاسخ: میدان مغناطیسی در اطراف سیم با جریان درونسو دایره ای  به مرکز سیم است که خط مماس در هر نقطه روی محیط این دایره میدان مغناطیسی در آن نقطه را نشان می دهد. (مطابق شکل زیر)

ph11 s3 flowfield 12 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

بنابراین خط مماس بر دایره های میدان در نقاط a و b به صورت زیر می شود.

ph11 s3 flowfield 13 میدان مغناطیسی سیم حامل جریان

در نتیجه میدان مغناطیسی در نقطه b صفر است و در نقطه a به سمت بالا است.

دانلود جزوه مطالب فوق در فایل PDF



کبیری

از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *