فيديو السؤال: فهم النسبية في الكهرومغناطيسية الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

يوضح الجزء ‪a‬‏ من الشكل قضيبًا مغناطيسيًّا يتحرك بالسرعة ‪𝑣‬‏ في اتجاه ملف لولبي ساكن. يحث ذلك فرق جهد كهربي بين طرفي الملف اللولبي. يوضح الجزء ‪b‬‏ من الشكل قضيبًا مغناطيسيًّا ساكنًا، لكن الملف اللولبي هو الذي يتحرك في اتجاهه بالسرعة ‪𝑣‬‏. كيف يختلف فرق الجهد المستحث في الجزء ‪b‬‏ عن فرق الجهد المستحث في الجزء ‪a‬‏؟

لدينا في هذا السؤال قضيب مغناطيسي، وملف لولبي. وبالطبع، في حالة الملف اللولبي، يكون لدينا عدد من اللفات. في الجزء ‪a‬‏ من الشكل، يتحرك القضيب المغناطيسي في اتجاه الملف اللولبي، الذي يظل ساكنًا.

أخبرنا السؤال أن قوة دافعة كهربية أو فرق جهد كهربي قد استحث بين طرفي الملف نتيجة حركة المغناطيس في اتجاه الملف. وهذه الظاهرة هي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. وفي هذه الظاهرة، تتولد قوة دافعة كهربية بين طرفي الملف اللولبي نتيجة تغير المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف اللولبي. والسبب في تغير المجال المغناطيسي هو أننا نحرك المغناطيس في اتجاه الملف اللولبي.

لنتذكر أن القوة الدافعة الكهربية المتولدة تعتمد على عدة عوامل. وأحد هذه العوامل هو معدل تغير المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف اللولبي؛ أي مدى سرعة تغير المجال المغناطيسي الناتج عن القضيب المغناطيسي أثناء حركته عبر الملف اللولبي. يمكننا رسم خطوط المجال المغناطيسي التي تمثل المجال المغناطيسي الناتج عن القضيب المغناطيسي. ويمكننا ملاحظة أن المجال المغناطيسي داخل الملف اللولبي يتغير نتيجة حركة القضيب المغناطيسي في اتجاه الملف.

ومن ثم، فإن هذا التغير في المجال المغناطيسي عبر الملف، وتحديدًا معدل تغير هذا المجال المغناطيسي، هو الذي يؤثر مباشرة على مقدار فرق الجهد المتولد خلال الملف اللولبي. يخبرنا السؤال أنه في الجزء ‪b‬‏، بدلًا من أن نحرك القضيب المغناطيسي في اتجاه الملف اللولبي، نبقي القضيب المغناطيسي في المكان نفسه، ونحرك الملف اللولبي في اتجاه القضيب المغناطيسي. علينا إيجاد كيف تختلف القوة الدافعة الكهربية المتولدة خلال الملف اللولبي في هذه الحالة عن الحالة الأولى التي نحرك فيها القضيب المغناطيسي في اتجاه الملف اللولبي.

يجدر بنا الإشارة إلى أننا نبقي كل شيء آخر كما هو. فالقضيب المغناطيسي هو نفسه بالضبط. ومن ثم، فإن المجال المغناطيسي الذي يولده هو نفسه بالضبط. وكذلك الملف اللولبي هو نفسه الملف اللولبي كما في السابق. ومن ثم، لم يتغير عدد لفات الملف اللولبي. فنحن لم نشكل الملف اللولبي بأي صورة؛ لذا فإن المساحة عبر الملفين هي المساحة نفسها كما في السابق. كما أننا لم ندر القضيب المغناطيسي أو الملف اللولبي أحدهما بالنسبة إلى الآخر.

إذن، يظل كل شيء كما هو. الاختلاف الوحيد هو أنه في الشكل ‪b‬‏، يتحرك الملف اللولبي في اتجاه القضيب المغناطيسي، وفي الشكل ‪a‬‏، يتحرك القضيب المغناطيسي في اتجاه الملف اللولبي. نلاحظ أيضًا أن سرعة الجسم المتحرك في الحالتين هي ‪𝑣‬‏. أي أنها متساوية في الحالتين. ففي الشكل ‪a‬‏ يتحرك القضيب المغناطيسي بالسرعة ‪𝑣‬‏، وفي الشكل ‪b‬‏ يتحرك الملف اللولبي بالسرعة ‪𝑣‬‏.

دعونا نتذكر أننا ذكرنا من قبل أن الحث الكهرومغناطيسي يعتمد على معدل تغير المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف اللولبي؛ حيث تكون المساحة هي مساحة المقطع العرضي التي لا يمكننا رؤيتها تمامًا لأننا ننظر إلى الملف من الجانب. ولا يهم إذا ما كنا نحرك القضيب المغناطيسي في اتجاه الملف اللولبي أو نحرك الملف اللولبي في اتجاه القضيب المغناطيسي. فما دامت السرعة النسبية بين الاثنين متساوية، فإن معدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملف اللولبي سيظل كما هو.

يرجع ذلك إلى أنه في كل من الحالتين يتحرك أحد الجسمين باتجاه الآخر، وفي كل من الحالتين يتحرك أحد الجسمين بالسرعة نفسها في اتجاه الآخر. إذن، تعبر الكمية نفسها م من المجال المغناطيسي للقضيب المغناطيسي إلى الملف اللولبي كل ثانية. وعليه، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة عبر الملف اللولبي ستظل هي نفسها في كلتا الحالتين. وبهذا نكون قد توصلنا إلى إجابة السؤال. عندما نسأل: كيف يختلف فرق الجهد المستحث في الملف اللولبي في الجزء ‪b‬‏ عن فرق الجهد المستحث في الملف اللولبي في الجزء ‪a‬‏، بإمكاننا القول إن فرق الجهد المستحث لا يختلف في الجزأين.