نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی

در این آموزش به محاسبه بزرگی نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی و تعیین جهت آن به کمک قاعدع دست راست می پردازیم.

در آزمایش زیر شما مشاهده می کنید که وقتی یک سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی دو قطب آهنربای نعلی شکل بزرگ قرار می گیرد، از طرف میدان مغناطیسی به آن نیرو وارد می شود.

نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان

اورستد فیزیکدان دانمارکی، با انجام آزمایشی مشابه آزمایش فوق، و اندازه گیری نیروی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی، نشان داد :

نیرویی که در میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان الکتریکی وارد می شود، بر راستای سیم و نیز بر راستای میدان مغناطیسی عمود است. جهت نیروی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی را می توان با استفاده از قاعده دست راست تعیین کرد.

همچنین می توانید مبحث نیروی مغناطیسی وارد بر ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی را از همین لینک مشاهده کنید.

فرمول نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان

بزرگی نیروی مغناطیسی وارد بر یک سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی یکنواخت، از رابطه زیر بدست می آید :

که در این رابطه B میدان مغناطیسی بر حسب تسلا و ]  جریان گذرنده از سیم بر حسب آمپر و l طول بخشی ازسیم (بر حسب متر) است که در میدان مغناطیسی قرار گرفته است و θ زاویه بین میدان مغناطیسی و راستای سیم است.

مثال ۱: یک سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی یکنواختی به بزرگی ۴۰۰ گاوس در راستایی قرار دارد که با جهت میدان زاویه ۳۰ درجه می سازد. اگر جریان عبوری از سیم ۵ آمپر باشد، بزرگی نیروی مغناطیسی وارد بر یک متر از این سیم را حساب کنید.

حل مثال ۱:

تعیین جهت نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان

برای تعیین جهت این نیرو از قاعده دست راست که در مبحث نیروی وارد بر ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی آموزش داده ایم، استفاده می کنیم با این تغییر که راستای چهار انگشت دست راست، جهت جریان الکتریکی را نشان می دهد.

مثال ۲: سیم مستقیمی به طول ۲٫۴ متر حامل جریان ۲٫۵ آمپر از شرق به غرب است. اندازه میدان مغناطیسی زمین در محل این سیم ۰٫۴۵ گاوس و جهت آن از جنوب به شمال است. اندازه و جهت نیروی مغناطیسی وارد بر این سیم را تعیین کنید.

حل مثال ۲:

با استفاده از قاعده دست راست، جهت میدان مغناطیسی مطابق شکل زیر است.

مثال ۳: میله ای به جرم ۵۰ گرم توسط دو نخ سبک به سقف آویزان شده است و جریانی به بزرگی ۴ آمپر از A به طرف B در آن برقرار است. در صورتی که کشش هر یک از نخ ها ۰٫۱۵  نیوتون باشد، بزرگی میدان مغناطیسی که بر صفحه عمود است، چند تسلا است و جهت آن را تعیین کنید.

حل مثال ۳:

مثال ۴: در شکل زیر، سیم افقی MN در میدان مغناطیسی یکنواخت بین دو قطب آهن ربایی معلق است و قبل از بستن کلید K ، ترازو عدد ۱۲ نیوتون را نشان می دهد. وقتی کلید K بسته می شود، از سیم جریان ۱۰ آمپر می گذرد و ترازو عدد ۹ نیوتون را نشان می دهد. اگر طول سیم MN برابر ۳۰ سانتی متر باشد، اندازه ی میدان مغناطیسی بر حسب تسلا و جهت جریان الکتریکی به چه سمتی است ؟

حل مثال ۴: ابتدا ترازو وزن آهنربا (۱۲ نیوتون) را نشان می دهد. بعد از اینکه کلید بسته می شود ترازو عدد ۹ نیوتون را نشان می دهد. یعنی سیم کمی آهنربا را از روی ترازو بلند کرده است، پس سیم به آهن ربا نیرویی به سمت بالا به اندازه ۳ نیوتون وارد کرده است که طبق قانون سوم نیوتون واکنش این نیرو از طرف آهن ربا به سیم به سمت پایین وارد می شود. یعنی به سیم از طرف میدان مغناطیسی آهنربا نیروی ۳ نیوتونی به سمت پایین وارد می شود که با استفاده از این نیرو و جهت میدان مغناطیسی که از قطب N به قطب S است و قاعده دست راست مطابق شکل زیر در می یابیم که جهت جریان از N به M است. برای محاسبه بزرگی میدان مغناطیسی از رابطه زیر استفاده می کنیم:

ویدیو آموزشی

ویدیو آموزشی از این مبحث را که توسط مصطفی کبیری آماده شده است در زیر مشاهده کنید.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

موتورهای الکتریکی

ابزارهایی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند و اساس کار بسیاری از دستگاه ها نظیر جارو برقی، مته برقی، آسیاب برقی، ماشین لباسشویی، پنکه و … را تشکیل می دهند.

چه نیرویی در موتورهای الکتریکی موجب چرخش حلقه می شود تا انرژی مکانیکی ایجاد شود؟

در هر موتور الکتریکی سیم هایی وجود دارند که حامل جریان اند و آهنرباهایی نیز وجود دارند که بر سیم حامل جریان نیرو وارد می کنند. مطابق شکل زیر با استفاده از قاعده دست راست علت چرخش سیم های حامل جریان مشخص می شود.

همانطوری که در شکل بالا مشاهده می کنید، به سمت راست حلقه نیرو به سمت بالا و به سمت چپ حلقه نیرو به سمت پایین وارد می شود که ایجاد گشتاور می کند و موجب چرخش حلقه می شود. دقت داشته باشید به قسمت هایی از سیم که هم راستا با میدان هستند نیرویی وارد نمی شود.

چگونگی ساخت موتور الکتریکی ساده با استفاده از وسایل ساده در خانه را در ویدیوی زیر مشاهده کنید. توضیحات فارسی در ویدیو آموزشی این مبحث داده شده است.

---

---