دسته‌ها
فیزیک یازدهم مغناطیس

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.

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.

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

ph11 s3 electromagnetic force wire 01 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیکه 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:

ph11 s3 electromagnetic force wire 02 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی

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:

ph11 s3 electromagnetic force wire 03 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیبا استفاده از قاعده دست راست، جهت میدان مغناطیسی مطابق شکل زیر است.

ph11 s3 electromagnetic force wire 04 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیمثال 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.

ph11 s3 electromagnetic force wire 05 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیحل مثال ۳:

ph11 s3 electromagnetic force wire 06 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیمثال 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 ؟

ph11 s3 electromagnetic force wire 07 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیحل 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:

ph11 s3 electromagnetic force wire 08 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی

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

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.

ph11 s3 electromagnetic force wire 09 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسیهمانطوری 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.

 

دانلود فایل پاور پوینت تدریس استفاده شده در ویدیو آموزشی

به سبد خرید شما اضافه شد.

به سبد خرید شما اضافه شد.



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 *