كيف تتولد القوة المغناطيسية المؤثرة على سلك يمر به تيار
القوة الكهربائية المغناطيسية، التي تسمى أيضا القوة الكهروطيسية، هي القوة التي تنشئ حقلا مغناطيسيا عن طريق تدفق التيار الكهربائي في السلك. وتنشأ الحقل المغناطيسي من تفاعل القوى المغناطيسية بين المغناطيسات التي تتأثر بمجال مغناطيسي خارجي والقوى الناتجة عن المجالات المغناطيسية.
يعتبر هذا الحقل فيزيائيًا، حيث ينشأ عن الجسيمات المشحونة بشحنات كهربائية، وعندما تمر أي شحنة من خلال هذا المجال، تتعرض لقوة مغناطيسية تتحرك باتجاه عمودي على اتجاه سرعتها، بالإضافة إلى قوتها الكهربائية بنفس الاتجاه.
تعريف المجال الكهربائي المنتظم
المجال الكهربائي المنتظم هو المجال الذي تكون قيمته ثابتة في جميع النقاط وهي حالة خاصة من المجال ويحصل عليه من خلال صفيحتين متوازيتين مساحتهما كبيرة والمسافة التي بينهما صغيرة ويجب أن تكون الصفيحتين مشحونتين بنفس مقدار الشحنة شريطة أن يكون الشحنتين مختلفتين أي الأولى موجبة والثانية سالبة أو بالعكس.
قانون القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك
قوانين القوة المغناطيسية:
- حركة جيم مشحون في مجال مغناطيسي منتظم: عندما يتحرك جسم مشحون بشحنة كهربائية في مجال مغناطيسي ثابت، تصبح القوة المغناطيسية ثابتة بسبب ثبات الشحنة والسرعة والمجال المغناطيسي. كما تكون القوة موجهة نحو الشمال في بداية الحركة وتبقى اتجاه القوة متغيرا مع حركة الجسم، وتكون القوة عمودية على السرعة والمجال المغناطيسي، وبالتالي يكون مسار الجسم دائريا وفقا لعقارب الساعة.
- القوة المغناطيسية التي تؤثر بمادة موصلة يسري فيها التيار الكهربائي: يتحرك التيار الكهربائي عبر نهر من الشحنات الكهربائية، وتتأثر كل شحنة بقوة عمودية على اتجاه حركتها، ويتحدد اتجاه التيار الكهربائي بمحصلة هذه القوى.
- القوة المتوازية بين سلكين متوازيين طويلين يحملان التيار الكهربائي: إذا كان هناك سلكان موصلان يحملان تيارا كهربائيا في اتجاهين مختلفين، فإنهما يتأثران ببعضهما البعض بقوة مغناطيسية تكون متنافرة إذا كانت الاتجاهات متوافقة، وتتجاذب إذا كانت الاتجاهات مختلفة.
- قوة لورنتز وحركة الشحنات في مجال كهربائي ومغناطيسي: عند تحريك جسم مشحون في محيط يحتوي على قوة مغناطيسية وكهربائية، فإنه يتأثر بكلتا القوتين وتكون محصلة هذه القوة مجموع القوتين المغناطيسية والكهربائية معا، ويطلق عليها اسم لورنتز نسبة إلى العالم الذي اخترعها.
العوامل التي يتوقف عليها المجال المغناطيسي في سلك
تتوقف القوة المؤثرة على السلك الذي يمر فيه تيار كهربائي في المجال المغناطيسي على عدة عوامل
- طول السلكL : حيث تكون هذه القوة نتيجة تناسب طردي مع طول السلك الذي يمر به التيار الكهربائي.
- شدة التيار الكهربائي I: يتناسب التأثير الكهرومغناطيسي مع شدة التيار الكهربائي ويسمى التأثير الكهروستاتيكي.
- شدة الحقل المغناطيسيB : تتناسب شدة القوة المطردة مع شدة الحقل المغناطيسي عند مرور التيار الكهربائي فيه.
- اتجاه المجال الكهربائي: يكون اتجاه المجال الكهربائي في الشحنة الموجبة في نفس اتجاه القوة واتجاه المجال الكهربائي في الشحنة السالبة معاكس لاتجاه القوة.
- تمثيل المجال الكهربائي: يتم تمثيل المجال الكهربائي بواسطة سهم، حيث يعبر طول السهم عن شدة المجال الكهربائي واتجاه السهم يشير إلى اتجاه المجال الكهربائي.
- شدة المجال الكهربائي: تحدد شدة المجال ومقدار شحنة الاختبار قيمة القوة المؤثرة في شحنة الاختبار ويتم قسمتها على مقدار شحنة الاختبار لتحديد الاتجاه.
- مقدار القوة التي تؤثر في شحنة الاختبار وموقع الشحنة وشدة المجال: كل هذه القيم لا تعتمد على حجم الشحنة.
- شحنة الاختبار صغيرة جداً: لكي لا تتأثر بأي شحنة من القوة الأخرى.
العوامل التي يعتمد عليها شدة المجال الكهربائي في نقطة ما
- مقدار الشحنة المولدة للمجال: تعتبر الحزمة متناسبة مع قوة الحقل الكهربائي في نقطة معينة.
- بعد النقطة عن الشحنة المولدة للمجال: يكون العلاقة هنا عكسية، حيث لكل نقطة حول الشحنة مجال كهربائي، حتى إذا كانت غير مشحونة اختبارا.
- اتجاه شدة المجال: بعيدا عن التأثير الإيجابي للشحنة في المجال، يتجه نحو الشحنة السالبة التي تولدها المجال.
- المجال عند نقطة وناشئ من شحنين: نلاحظ في البداية المجال الذي ينشأ عند كل نقطة بشكل منفرد، ثم نقوم بجمع هذين المجالين معا، مع شرط أن يتم جمع المجالين من نفس الاتجاه وتوجههما، عندما يكونان في اتجاهين مختلفين.
- القوة الناتجة عن المجال الكهربائي: وتكون ناتجة عن أي قوة كهربائية تؤثر في المجال الكهربائي ومن أي نقطة داخلة.
العوامل المؤثرة في مقدار القوة الناتجة عن المجال الكهربائي
- شدة المجال الكهربائي الناتج.
- هذا يشير إلى كمية الشحنة الكهربائية الموجودة داخل هذا المجال.
- نوع الشحنة الكهربائية الموجودة داخل المجال الكهربائي.
- يستخدم خط المجال الكهربائي لتمثيل المجال الكهربائي في الفراغ أو في الوسط المحيط بالشحنة.
العلاقة بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي
عندما يتحرك الشحنة الكهربائية لا تقتصر على المجال الكهربائي فقط إنما يتولد لديها مجالاً مغناطيسياً أيضاً فإن المجالين الكهربائي والمغناطيسي يرتبطان ببعضهما ارتباط وثيق مع أنهما مجالان مختلفان فعندما تتحرك الشحنات في نفس الاتجاه ينتج عنها تياراً كهربائياً وحيثما يوجد تيار كهربائي يوجد حقل مغناطيسي ويعبر عن شدة الحقل المغناطيسي المتولد بواحدة التيسلا .
خصائص خطوط المجال الكهربائي
- تبدأ خطوط المجال الكهربائي بالشحنة الموجبة وتنتهي بالشحنة السالبة.
- تتناسب كثافة خطوط المجال الكهربائي عكسيًا مع مقدار الشحنة الكهربائية.
- تتوقف خطوط المجال الكهربائي على سطح الشحنة دون اختراقها.
- تتناسب عدد خطوط المجال الكهربائي التي تقطع وحدة المساحة بشكل طردي مع شدة المجال.
- خطوط المجال الكهربائي خطوط وهمية.
- إذا كانت الشحنة الكهربائية موجبة، فإنها ستتأثر بشدة وستتحرك في اتجاه المجال الكهربائي نفسه.
- تتجه خطوط المجال الكهربائي من الشحنة الموجبة إلى الشحنة السالبة.
- يعتبر المجال الكهربائي مستمرًا، ولا ينقطع أبدًا، لذلك إذا تقاطعت شحنة المجال الكهربائي، فإنه سيكون هناك اتجاهين للمجال الكهربائي، ولن يكون للمجال قيمتان، وهذا يتعارض مع الحقائق العلمية.
- تتناسب عدد خطوط المجال الكهربائي مع شدة هذا المجال، حيث تزداد كثافة خطوط المجال عندما يكون التيار الكهربائي أقوى ويخترق الخطوط بشكل أفضل، بينما تكون الخطوط أقل كثافة عندما يكون المجال الكهربائي أضعف.
- تزداد شدة المجال الكهربائي كلما اقتربنا من الشحنة، وينخفض كلما ابتعدنا عن الشحنة، وينخفض كثافتها بالتالي (علاقة عكسية).
وحدة قياس شدة المجال الكهربائي
يتم قياس شدة المجال الكهربائي بوحدة الأمبير الدولية، وهي واحدة من الوحدات الكبيرة نسبيا المستخدمة في النظام المتري. يرمز لهذه الوحدة بالرمز A، وتم اسماها تيمنا بالفيزيائي الفرنسي آندري ماري أمبير الذي أجرى العديد من التجارب والدراسات حول التيار الكهربائي. يستخدم الأمبير في المنازل على العديد من الأجهزة مثل الثلاجات والغسالات والتلفزيونات ومحولات الكهرباء وغيرها.
استخدامات قانون شدة المجال الكهربائي
يوجد العديد من الاستخدامات لقانون المجال الكهربائي، ويمكننا ذكر بعضها هنا، مثل:
- أيجاد قيمة القوة الكهربائية: يتم حساب القوة الكهربائية الناتجة عن الشحنة الكهربائية بضرب قيمة الشحنة الكهربائية بشدة المجال الكهربائي الناتج عنها.
- أيجاد قيمة شحنة الاختبار: تتم عملية القسمة عن طريق تقسيم القوى المتولدة على شدة المجال الكهربائي.
- اعتبار شدة المجال الكهربائي: : يتم ذلك عن طريق وضع شحنة لهذا الاختبار.
- أيجاد حجم المجال الكهربائي: ويتم اعتماده من شحنة هذا المصدر.