في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف المجال المغناطيسي الذي يُنتِجه سلك يمرُّ به تيار كهربي.
إذا كان هناك تدفُّق للشحنة في سلك فهذا يعني أن هناك تيارًا كهربيًّا يمرُّ في السلك. يوضِّح الشكل الآتي سلكًا مستقيمًا طويلًا يمرُّ به تيار كهربي:
يولِّد التيار مجالًا مغناطيسيًّا حوله. وتكون خطوط المجال على شكل دوائر حول السلك كما هو موضَّح بالأسفل.
إن المجال المغناطيسي الناتج عن التيار موجود في كل مكان حول السلك. وتمتدُّ خطوط المجال الدائري حول السلك إلى أيِّ مسافة من السلك.
إذا غيَّرنا منظورنا لننظر إلى السلك من أحد طرفيه فمن الممكن أن يشير التيار إلينا مباشرة كما هو موضَّح في الشكل الآتي. وبالنظر إلى السلك بهذه الطريقة نقول إن التيار يشير «إلى خارج الشاشة».
يوضِّح هذا الشكل الرمز الذي يُمثِّل التيار عندما يشير إلى خارج الشاشة؛ حيث يُمثَّل بدائرة بها نقطة في المنتصف. ويوضِّح أيضًا أن خطوط المجال المغناطيسي التي تقع على مسافات مختلفة من السلك تشكِّل دوائر متَّحدة المركز.
كلما زادت المسافة من السلك تباعدت الدوائر أكثر. وهذا يشير إلى تناقص شدة المجال المغناطيسي.
بدلًا من رؤية تيار يشير إلى خارج الشاشة نحونا من الممكن رؤيته وهو يشير في الاتجاه المعاكس؛ أي «إلى داخل الشاشة». والتيار الذي يشير في هذا الاتجاه يُرمَز له بدائرة حول الحرف X كما هو موضَّح في الشكل الآتي:
لاحظ أن المجال المغناطيسي في هذا الشكل يشير في اتجاه عقارب الساعة حول السلك، في حين يشير في عكس اتجاه عقارب الساعة في الشكل الذي يتجه فيه المجال إلى خارج الشاشة.
لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي حول سلك يمرُّ به تيار نستخدم ما يُسمَّى «قاعدة اليد اليمنى». تنصُّ هذه القاعدة على أنه إذا وجَّهنا إبهام اليد اليمنى في اتجاه التيار في سلك مستقيم فإن اتجاه التفاف أصابعنا (مثل الإمساك بشيء ما) يمثِّل اتجاه المجال المغناطيسي حول هذا السلك.
تنطبق هذه الطريقة على سلك يمرُّ به تيار متجه إلى داخل الشاشة وإلى خارجها كما هو موضَّح بالأسفل.
في كلتا الحالتين، عندما نوجِّه إبهامنا الأيمن في اتجاه التيار المارِّ في السلك تلتفُّ أصابعنا في اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن هذا التيار.
مثال ١: فَهْم المجال المغناطيسي الناشئ عن سلك يمرُّ به تيار كهربي
أيُّ شكل من الأشكال الأربعة يوضِّح بطريقة صحيحة خطوط المجال المغناطيسي حول سلك يمرُّ به تيار كهربي؟
الحل
للإجابة عن هذا السؤال سنستخدم ما يُسمَّى «قاعدة اليد اليمنى». تنصُّ هذه القاعدة على أن اتجاه المجال المغناطيسي الذي ينشأ عن تيار كهربي يكون هو اتجاه التفاف أصابعنا عندما يشير إبهام اليد اليمنى إلى اتجاه التيار.
يمكننا تطبيق هذه القاعدة على الخيارات الأربعة: (أ) و(ب) و(ج) و(د) على الترتيب.
في الخيار (أ) نشير بإبهامنا الأيمن إلى داخل الشاشة؛ لأن التيار يشير في هذا الاتجاه. وبلفِّ أصابعنا نجد أنها تتحرَّك في اتجاه عقارب الساعة. وهذا يخالف اتجاه المجال المغناطيسي الموضَّح في عكس اتجاه عقارب الساعة. وعليه، فإن الشكل (أ) لا يوضِّح بشكل صحيح خطوط المجال المغناطيسي حول السلك.
في الخيار (ب) يشير التيار إلى خارج الشاشة. عندما يشير إبهام اليد اليمنى إلى هذا الاتجاه تلتفُّ أصابعنا في عكس اتجاه عقارب الساعة. وهذا يخالف اتجاه المجال المغناطيسي الموضَّح في الشكل في اتجاه عقارب الساعة. الشكل (ب) أيضًا لا يوضِّح بشكل صحيح اتجاه المجال المغناطيسي المتولِّد حول السلك.
يوضِّح الخيار (ج) تيارًا يشير إلى داخل الشاشة، ومجالًا مغناطيسيًّا في اتجاه عقارب الساعة. عند اختبار هذا باستخدام قاعدة اليد اليمنى نجد أن أصابعنا تلتفُّ في اتجاه عقارب الساعة عندما يشير إبهامنا الأيمن إلى داخل الشاشة. الخيار (ج) صحيح!
بالنظر إلى الخيار (د) نجد أن جزءًا من المجال المغناطيسي يشير في عكس اتجاه عقارب الساعة، وجزءًا يشير في اتجاه عقارب الساعة. وهذا ليس ممكنًا من الناحية الفيزيائية؛ لذا نعرف أن الشكل (د) ليس التمثيل الصحيح للمجال المغناطيسي حول السلك.
الخيار النهائي لدينا هو الشكل (ج).
قد علمنا أن شدة المجال المغناطيسي الناتج عن سلك يمرُّ به تيار تقلُّ بزيادة المسافة من السلك.
ثمة عامل آخَر يؤثِّر على شدة المجال وهو شدة التيار الذي يُنتِج المجال. فكلما كانت شدة التيار أكبر (أي كلما زاد مقداره) زادت شدة المجال المغناطيسي.
مثال ٢: فَهْم المجالات المغناطيسية الناتجة عن التيارات الكهربية
بالنسبة للمجال المغناطيسي الناشئ حول سلك يمرُّ به تيار؛ كلما كانت شدة التيار كان المجال المغناطيسي .
- أكبر، أضعف
- أصغر، أقوى
- أكبر، أقوى
الحل
توجد علاقة مباشرة بين شدة التيار الكهربي الذي يُنتِج المجال المغناطيسي وشدة المجال.
يمكننا القول إنه كلما زادت شدة التيار قَوِي المجال، وكلما قلَّت شدة التيار ضَعُف المجال.
كِلا هذين الوصفين يكمل الفراغين في السؤال بشكل صحيح، ولكنَّ واحدًا منهما فقط متاح في الخيارات. يؤدِّي الخيار (ج): «أكبر، أقوى» إلى جملة تنصُّ على ما يلي: «بالنسبة للمجال المغناطيسي الناشئ حول سلك يمرُّ به تيار؛ كلما كانت شدة التيار أكبر كان المجال المغناطيسي أقوى». وبذلك نكون قد أكملنا الجملة بشكل صحيح، ومن ثَمَّ فإن الخيار النهائي هو (ج).
قد يكون السلك الذي يمرُّ به التيار مستقيمًا كما ذكرنا حتى الآن، ولكن يمكن أيضًا تشكيله على صورة ملف كما هو موضَّح في الشكل الآتي:
يُعرَف مثل هذا الملف باسم الملف اللولبي. وكما هو الحال مع أيِّ شكل آخَر من أشكال الأسلاك؛ عندما يمرُّ تيار في الملف اللولبي فإنه يولِّد مجالًا مغناطيسيًّا حول نفسه.
من المثير للاهتمام أن المجال المغناطيسي للملف اللولبي يشبه إلى حدٍّ كبير المجال المغناطيسي المتولِّد عن القضيب المغناطيسي.
عندما يمرُّ تيار كهربي في ملف لولبي يكون المجال المغناطيسي بين لفَّاته قويًّا إلى حدٍّ كبير، في حين يكون المجال المغناطيسي خارجها ضعيفًا نسبيًّا.
من الممكن تقوية المجال المغناطيسي داخل الملف اللولبي بوضع مادة قابلة للمغنطة في قلب الملف اللولبي.
المادة القابلة للمغنطة هي مادة تصبح مغناطيسًا عند وضعها في مجال مغناطيسي مولِّدة مجالًا مغناطيسيًّا خاصًّا بها.
الحديد أحد أمثلة هذه المواد. فإذا وُضعَت أسطوانة من الحديد داخل ملف لولبي، كما هو موضَّح بالأسفل، فسيعمل المجال الناتج عن الملف اللولبي على مغنطة الحديد، الذي يولِّد بعد ذلك مجاله المغناطيسي الخاص، وهو ما يعزِّز بدوره من المجال المغناطيسي للملف اللولبي.
مثال ٣: التعرُّف على الملف اللولبي
يوضِّح كل شكل من الأشكال الآتية جسمًا مصنوعًا من النحاس. أيُّ شكل يمثِّل ملفًّا لولبيًّا؟
الحل
الملف اللولبي يتكوَّن من سلك يمكن أن يمرَّ به تيار كهربي. من المهمِّ أن يكون السلك الذي يتكوَّن منه الملف اللولبي متصلًا؛ وهو ما يعني أن الشحنة يمكن أن تتدفَّق من أحد طرفَي الملف إلى الطرف الآخَر.
يلتفُّ السلك في الملف اللولبي حتى يُكوِّن العديد من اللفات التي توازي إحداها الأخرى.
يوضِّح الخياران (أ) و(ب) لفات سلك منفصلة. وبما أنهما غير متصلين فلا يُمثِّل أيٌّ منهما ملفًّا لولبيًّا.
يوضِّح الخيار (ج) لفات متصلة. لكنَّ اللفات لا تتصل إحداها بالأخرى بشكل موازٍ؛ لذا لن نختار الخيار (ج) أيضًا.
يوضِّح الخيار (هـ) أسطوانة مجوَّفة. وبما أنها ليست مصنوعة من قطعة سلك واحدة فإنها لا تمثِّل ملفًّا لولبيًّا.
معرفة أن الملف اللولبي مكوَّن من سلك على شكل حلقات توازي إحداها الأخرى تلغي كل الخيارات ما عدا الخيار (د).
مثال ٤: معرفة المصطلحات الأساسية المتعلِّقة بالكهرومغناطيسية
أيُّ الاختيارات الآتية هو الوصف الصواب للملف اللولبي؟
- الملف اللولبي قطعة سلك واحدة مستقيمة. عند تمرير تيار كهربي خلالها ينشأ مجال مغناطيسي حولها.
- الملف اللولبي لفة واحدة من سلك معزول. عند تمرير تيار كهربي خلالها ينشأ مجال مغناطيسي مشابه للمجال المغناطيسي الخاص بالقضيب المغناطيسي.
- الملف اللولبي ملف طويل من سلك معزول. عند تمرير تيار كهربي خلاله ينشأ مجال مغناطيسي مشابه للمجال المغناطيسي الخاص بالقضيب المغناطيسي.
الحل
بالنظر إلى هذه الأوصاف الثلاثة المحتمَلة نلاحظ أنها تختلف اختلافًا أساسيًّا فيما يخصُّ شكل السلك الذي يكوِّن الملف اللولبي.
الملف اللولبي ليس قطعة سلك مستقيمة، بل يتكوَّن من سلسلة من الحلقات تُسمَّى لفات. كلما زاد عدد اللفات في الملف زادت شدة المجال المغناطيسي الذي يُنتِجه.
عندما تتدفَّق الشحنة الكهربية عبر الملف اللولبي تولِّد مجالًا مغناطيسيًّا مشابهًا للغاية للمجال المغناطيسي الذي يولِّده القضيب المغناطيسي.
هذا الوصف يتوافق مع الخيار (ج).
مثال ٥: فَهْم الملفات اللولبية
أيُّ طريقتين من الطرق الآتية تُستخدَمان لزيادة شدة المجال المغناطيسي الناتج عن الملف اللولبي؟
- زيادة قطر الملف
- تقليل طول الملف
- زيادة شدة التيار المارِّ بالملف
- تقليل عدد لفات الملف
- وضع قلب حديدي داخل الملف
الحل
لعلنا نتذكَّر أن الملف اللولبي هو ملف يحتوي على عدة لفات.
المجال المغناطيسي المتولِّد عن الملف اللولبي يساوي عمليًّا مجموع المجالات المغناطيسية المتولِّدة عن كل لفة من لفاته. كلما زاد عدد اللفات زاد هذا المجموع، وزادت شدة المجال المغناطيسي الكلي.
ومن ثَمَّ، فالخيار (د): «تقليل عدد لفات الملف» لا يمكن أن يكون صحيحًا. فتقليل عدد لفات الملف اللولبي من شأنه أن يُضعِف المجال المغناطيسي الكلي.
وبالمثل، لا يصف الخيار (ب): «تقليل طول الملف» طريقة لتقوية المجال المغناطيسي للملف اللولبي. إذ يؤدِّي تقليل طول الملف اللولبي إلى إزالة لفات من الملف، وهو ما يؤدِّي مرة أخرى إلى إضعاف المجال المغناطيسي الكلي.
يزعم الخيار (أ) أن زيادة قطر الملف اللولبي ستؤدِّي إلى زيادة شدة المجال المغناطيسي. لكنَّ ما يؤثِّر على شدة المجال المغناطيسي في الملف اللولبي هو عدد اللفات وليس قطرها.
فيما يتعلَّق بطرق زيادة شدة المجال المغناطيسي في الملف اللولبي؛ هناك طريقة يمكن استخدامها مع أيِّ شكل من الأسلاك وهي زيادة شدة التيار المارِّ بالسلك. وهذا يتوافق مع الخيار (ج).
أخيرًا، يعمل إدراج مادة مغناطيسية مثل الحديد بداخل الملف اللولبي على تعزيز المجال المغناطيسي في القلب، وهو ما يزيد من شدته.
يمثِّل الخياران (ج) و(هـ) طريقتين لزيادة شدة المجال المغناطيسي للملف اللولبي.
النقاط الرئيسية
- يُنتِج السلك الذي يمرُّ به تيار كهربي مجالًا مغناطيسيًّا.
- تكون خطوط هذا المجال المغناطيسي على شكل دوائر يقع السلك في مركزها.
- يتحدَّد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن تيار كهربي باستخدام «قاعدة اليد اليمنى».
- يتكوَّن الملف اللولبي من عدة لفات.
- يُنتِج الملف اللولبي في حالة مرور تيار به مجالًا مغناطيسيًّا مشابهًا للمجال المغناطيسي الذي يُنتِجه القضيب المغناطيسي.
- يمكن زيادة شدة المجال المغناطيسي الناتج عن الملف اللولبي عن طريق إدراج مادة مغناطيسية مثل الحديد في قلب الملف اللولبي.
