القوى الناتجة عن المجالات المغناطيسية

3-2 القوى الناتجة عن المجالات المغناطيسية

Forces Caused by Magnetic Fields

بينما كان أمبير يدرس سلوك المغانط لاحظ أن التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا مشابهًا للمجال المغناطيسي الناتج عن مغناطيس دائم. ولأن المجال المغناطيسي يؤثر بقوة في المغانط الدائمة فقد افترض أمبير أنه توجد قوة تؤثر في السلك الذي يسري فيه تيار عند وضعه في المجال المغناطيسي.

الأهداف

• تربط بين اتجاه القوى المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار كهربائي والمجال المغناطيسي الموضوع فيه.
• تحل مسائل على القوة التي يؤثر بها مجال مغناطيسي في أسلاك يسري فيها تيارات كهربائية أو في جسيمات مشحونة متحركة في مجال مغناطيسي.
• تصف تصميم المحرك الكهربائي ومبدأ عمله.

المفردات

• القاعدة الثالثة لليد اليمنى
• الجلفانومتر
• المحرك الكهربائي
• الملف ذو القلب الحديدي

---

القوى المؤثرة في التيارات الكهربائية المارة في مجالات مغناطيسية

Forces on Currents in Magnetic Fields

يمكن توضيح القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار وضع في مجال مغناطيسي باستعمال الأدوات الموضحة في الشكل (3-15). فالبطارية تولد تيارًا كهربائيًا يسري في السلك الموضوع بين قضيبين مغناطيسيين.

تذكر أن اتجاه المجال المغناطيسي بين المغناطيسين يكون من القطب الشمالي لأحدهما إلى القطب الجنوبي للآخر. وعندما يسري تيار كهربائي في السلك تتولد قوة مغناطيسية تؤثر فيه، ويكون اتجاه تلك القوة نحو الأسفل، كما هو موضح في الشكل (3-15a)، أو نحو الأعلى، كما في الشكل (3-15b)، وذلك يعتمد على اتجاه التيار المار في السلك.

اكتشف مايكل فاراداي أن القوة المغناطيسية المؤثرة في السلك تكون عمودية على اتجاه كل من التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي.

الشكل 3-15

تتأثر الأسلاك التي يسري فيها تيارات كهربائية بقوى عند وضعها في مجالات مغناطيسية. وفي هذه الحالة يمكن أن تكون القوة إلى أسفل (a)، أو إلى أعلى (b)، وهذا يعتمد على اتجاه التيار الكهربائي.

---

تحديد اتجاه القوة

لم يكن وصف فاراداي لاتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة في السلك الذي يسري فيه تيار وصفًا كافيًا؛ لأن القوة قد تكون إلى أعلى أو إلى أسفل.

ويمكن تحديد اتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار وموضوع في مجال مغناطيسي باستخدام القاعدة الثالثة لليد اليمنى، الموضحة في الشكل (3-16)، حيث يمثل الرمز (B) المجال المغناطيسي، ويحدد اتجاهه بواسطة مجموعة أسهم.

ولاستخدام القاعدة الثالثة لليد اليمنى اجعل أصابع يدك اليمنى في اتجاه المجال المغناطيسي، واجعل إبهامك يشير إلى اتجاه التيار الاصطلاحي في السلك، فيكون اتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة في السلك في الاتجاه العمودي على باطن الكف نحو الخارج.

ولرسم الأسهم المتجهة إلى داخل الورقة أو خارجها يستخدم الرمز ((×)) للإشارة إلى أن السهم داخل في الورقة، والرمز ((•)) للإشارة إلى أنه خارج من الورقة.

الشكل 3-16

يمكن استعمال القاعدة الثالثة لليد اليمنى لتحديد اتجاه القوة عند معرفة اتجاه كل من التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي.

---

بعد فترة وجيزة من إعلان أورستد عن اكتشافه الذي ينص على أن اتجاه المجال المغناطيسي الناشئ عن مرور التيار في سلك يكون متعامدًا مع اتجاه سريان التيار فيه، استطاع أمبير أن يبين أن الأسلاك التي يسري فيها تيارات كهربائية يؤثر بعضها في بعض بقوى.

يوضح الشكل (3-17a) اتجاه المجال المغناطيسي حول كل من السلكين، حيث يحدد هذا الاتجاه بالقاعدة الأولى لليد اليمنى. وبتطبيق القاعدة الثالثة لليد اليمنى على كل من السلكين يمكن أن تتبين لماذا يجذب السلكان كل منهما الآخر.

ويبين الشكل (3-17b) الحالة المعاكسة؛ فعندما يكون التياران في اتجاهين متعاكسين تنشأ قوة تنافر بينهما.

الشكل 3-17

يتجاذب الموصلان عندما يسري التياران فيهما في الاتجاه نفسه (a)، ويتنافران عندما يسري التياران فيهما في اتجاهين متعاكسين (b).

---

القوة التي يؤثر بها المجال المغناطيسي في سلك

يمكن تحديد اتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار عند وضعه عموديًا على مجال مغناطيسي؛ حيث دلت التجارب على أن مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة في السلك (F) تتناسب طرديًا مع كل من مقدار المجال المغناطيسي (B)، ومقدار التيار (I)، وطول السلك (L) الموضوع داخل المجال المغناطيسي.

وتكون العلاقة بين هذه المتغيرات الأربعة على النحو الآتي:

القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار كهربائي موضوع في مجال مغناطيسي

[
F = ILB(\sin \theta)
]

تساوي حاصل ضرب شدة المجال المغناطيسي في مقدار التيار وطول السلك.

يقاس مقدار المجال المغناطيسي (B) بوحدة تسلا (T)، وهي تساوي:

[
1T = \frac{N}{A.m}
]

لاحظ أنه إذا كان المجال المغناطيسي غير متعامد مع السلك فستظهر المركبة العمودية للمجال المغناطيسي في المعادلة السابقة لتصبح كما يأتي:

[
F = ILB\sin\theta
]

فإذا أصبح السلك موازيًا للمجال المغناطيسي تصبح:

[
\theta = 0^\circ
]

وستؤول القوة إلى الصفر. أما عندما تكون الزاوية:

[
\theta = 90^\circ
]

فستصبح المعادلة مرة أخرى على الصورة الآتية:

[
F = ILB
]

---

مكبرات الصوت

Loudspeakers

تعد مكبرات الصوت إحدى التطبيقات العملية على القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار كهربائي موضوع في مجال مغناطيسي.

تعمل السماعة على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة صوتية باستخدام ملف من سلك رفيع مثبت على مخروط ورقي، وهذا المخروط موضوع في مجال مغناطيسي.

يرسل المضخم الذي يشغل السماعة تيارًا كهربائيًا خلال الملف كما هو موضح في الشكل (3-18)، ويتغير اتجاه هذا التيار بين (20) و (20000) مرة في الثانية، وذلك وفقًا لحدة الصوت التي يمثلها.

وعندها يتأثر الملف الخفيف بقوة تدفعه نحو الداخل أو الخارج؛ لأنه موجود في مجال مغناطيسي، وذلك اعتمادًا على اتجاه التيار المرسل من المضخم. وحركة الملف هذه تجعل المخروط الورقي يهتز محدثًا موجات صوتية في الهواء.

الشكل 3-18

تعمل السماعة على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة صوتية.

---

مثال 1

حساب شدة المجال المغناطيسي

يسري تيار كهربائي مقداره (5.0A) في سلك مستقيم موضوع عموديًا على مجال مغناطيسي منتظم، فإذا كانت القوة المغناطيسية المؤثرة في جزء طوله (0.10m) من السلك تساوي (0.20N)، فاحسب شدة المجال المغناطيسي (B).

1 تحليل المسألة ورسمها

ارسم رسمًا تخطيطيًا للسلك، مبينًا اتجاه التيار الكهربائي بواسطة سهم، وارسم خطوط المجال المغناطيسي (B) والقوة المؤثرة في السلك (F).

حدد اتجاه القوة المؤثرة في السلك باستخدام القاعدة الثالثة لليد اليمنى.

واعلم أن السلك والمجال والقوة جميعها متعامدة بعضها على بعض.

المعلوم

[
I = 5.0A
]

[
L = 0.10m
]

[
F = 0.20N
]

المجهول

[
B = ?
]

2 إيجاد الكمية المجهولة

إن المجال المغناطيسي (B) منتظم، ولأن (I) و (B) متعامدان فإن:

[
F = ILB
]

[
B=\frac{F}{IL}
]

بالتعويض عن:

[
F=0.20N,\quad I=5.0A,\quad L=0.10m
]

[
B=\frac{0.20N}{(5.0A)(0.10m)}
]

[
B=0.40\frac{N}{A.m}
]

[
B=0.40T
]

(B) تساوي (0.40T) من اليسار إلى اليمين عموديًا على كل من (F) و (I).

3 تقويم الجواب

هل الوحدات صحيحة؟
نعم، المجال مقيس بوحدة تسلا (T)، وهي الوحدة الصحيحة للمجال المغناطيسي.

هل الجواب منطقي؟
نعم، مقدار التيار والطول يجعلان مقدار المجال المغناطيسي كبيرًا، وهذا منطقي.

دليل الرياضيات

اجراء العمليات الحسابية باستعامل الارقام المعنوية

---

مسائل تدريبية

• ما اسم القاعدة المستخدمة لتحديد اتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار كهربائي متعامد مع المجال المغناطيسي؟ حدد ما يجب معرفته لاستخدام هذه القاعدة.

• يسري تيار مقداره (8.0A) في سلك طوله (0.50m)، موضوع عموديًا في مجال مغناطيسي منتظم مقداره (0.40T). ما مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة في السلك؟

• سلك طوله (75cm) يسري فيه تيار مقداره (6.0A)، موضوع عموديًا في مجال مغناطيسي منتظم، فتأثر بقوة مغناطيسية مقدارها (0.60N). ما مقدار المجال المغناطيسي المؤثر؟

• سلك نحاسي طوله (40.0cm)، ووزنه (0.35N)، فإذا كان السلك يمر فيه تيار مقداره (6.0A)، فما مقدار المجال المغناطيسي الذي يجب أن يؤثر فيه رأسيًا بحيث يكون كافيًا لموازنة قوة الجاذبية المؤثرة في السلك، وزن السلك؟

• ما مقدار التيار الذي يجب أن يسري في سلك طوله (10.0cm) وموضوع عموديًا في مجال مغناطيسي منتظم مقداره (0.49T) ليتأثر بقوة مغناطيسية مقدارها (0.38N)؟

---

الجلفانومترات

Galvanometers

يمكن استخدام القوة المؤثرة في حلقة سلكية موضوعة في مجال مغناطيسي لقياس شدة التيار. فإذا وضعت حلقة سلكية صغيرة يسري فيها تيار كهربائي في مجال مغناطيسي قوي لمغناطيس دائم، كما في الشكل (3-19a)، فإنه يمكن استخدام دورانها لقياس تيارات كهربائية صغيرة جدًا.

يدخل التيار المار خلال الحلقة من أحد طرفيها، ويخرج من طرفها الآخر. وبتطبيق القاعدة الثالثة لليد اليمنى على جانبي الحلقة ستلاحظ أن أحد جانبيها يتأثر بقوة إلى أعلى، بينما يتأثر الجانب الآخر بقوة إلى أسفل.

لذا ستعمل محصلة العزم على تدوير الحلقة؛ حيث يتناسب العزم المؤثر في الحلقة طرديًا مع مقدار التيار. وهذا هو المبدأ المستخدم في الجلفانومتر.

والجلفانومتر جهاز يستخدم لقياس التيارات الكهربائية الصغيرة جدًا، ويمكن تحويله إلى أميتر أو فولتميتر.

يؤثر النابض الصغير في الجلفانومتر بعزم في اتجاه معاكس لاتجاه العزم الناتج عن سريان التيار في الحلقة السلكية، لذا فإن مقدار دورانها يتناسب طرديًا مع التيار.

يدرج الجلفانومتر ويعاير بمعرفة مقدار الدوران عند مرور تيار معلوم فيه، كما هو موضح في الشكل (3-19b). ويمكن بعد ذلك استخدام الجلفانومتر لقياس تيارات صغيرة غير معلومة.

الشكل 3-19

إذا وضعت حلقة سلكية يمر فيها تيار في مجال مغناطيسي فسوف تدور (a). يدور ملف الجلفانومتر بالتناسب مع مقدار التيار (b).

---

تنحرف مؤشرات العديد من الجلفانومترات إلى أقصى تدريج عند مرور تيارات صغيرة مثل:

[
50\mu A = 50 \times 10^{-6}A
]

ومقاومة ملف الجلفانومتر الحساس تساوي (1000\Omega) تقريبًا.

الأميتر

ولقياس تيارات أكبر يمكن تحويل الجلفانومتر إلى أميتر بتوصيل مقاومة صغيرة جدًا على التوازي مع الجلفانومتر كما في الشكل (3-20a)، لتصبح المقاومة الكلية للأميتر صغيرة جدًا ولا تؤثر على مرور التيار عند توصيل الأميتر في الدائرة على التوالي كما في الشكل (3-20c).

وبهذا يمر معظم التيار (I_s) خلال المقاومة التي تسمى مجزئ التيار؛ لأن مرور التيار يتناسب عكسيًا مع المقاومة، في حين يمر تيار (I_m) صغير، بضعة ميكروأمبيرات، في الجلفانومتر.

ويمكن اختيار مقاومة مجزئ التيار وفق تدريج الانحراف المطلوب.

الفولتميتر

ويمكن تحويل الجلفانومتر إلى فولتميتر بتوصيله بمقاومة كبيرة على التوالي يسمى مجزئ الجهد، المضاعف، كما في الشكل (3-20b)، حيث يقيس الجلفانومتر التيار المار في المقاومة الكبيرة الذي تمت إضافته.

لتصبح المقاومة الكلية للفولتميتر كبيرة جدًا ولا تؤثر على مرور التيار عند توصيل الفولتميتر في الدائرة على التوازي كما في الشكل (3-20d).

ويحسب التيار بالعلاقة:

[
I=\frac{V}{R}
]

حيث (V) فرق الجهد الكهربائي خلال الفولتميتر، بينما (R) المقاومة الكلية للجلفانومتر وللمقاومة التي أضيفت.

افترض الآن أنك تريد جعل مؤشر الفولتميتر ينحرف إلى أقصى تدريج عند تطبيق فرق جهد مقداره (10V) بين طرفيه، فعليك أن تختار مقاومة مناسبة؛ بحيث يتحقق ذلك الانحراف عندما يمر تيار في الجلفانومتر والمقاومة.

الشكل 3-20

تم توصيل الجلفانومتر بهذه الطريقة لاستخدامه كأميتر (a)، وتم توصيل الجلفانومتر بهذه الطريقة لاستخدامه كفولتميتر (b)، يوصل الأميتر في الدائرة على التوالي (c)، ويوصل الفولتميتر في الدائرة على التوازي (d).

---

المحركات الكهربائية

تبين لك أن الحلقة السلكية البسيطة المستخدمة في الجلفانومتر لا يمكن أن تدور أكثر من (180^\circ)؛ حيث تدفع القوى الجانب الأيمن من الحلقة إلى أعلى، بينما تدفع جانبها الأيسر إلى أسفل، حتى تصبح الحلقة في وضع رأسي.

ولن تتمكن الحلقة من الاستمرار في الدوران؛ لأن القوى تبقى إلى أعلى وإلى أسفل، أي موازية لمستوى الحلقة، فلا تعود قادرة على إحداث أي دوران فيها.

كيف يمكنك السماح للحلقة بمواصلة دورانها؟ يجب أن ينعكس اتجاه التيار المار في الحلقة عندما تصبح في وضع رأسي. وهذا الانعكاس يسمح للحلقة بمواصلة دورانها، كما هو موضح في الشكل (3-21).

ولعكس اتجاه التيار يجب المحافظة على استمرار التوصيلات الكهربائية بين نقطتي تلامس تسميان الفرشاتين، وحلقة مقسومة إلى نصفين تسمى عاكس التيار.

وتصنع الفرشاتان في العادة من الجرافيت، وتثبتان بطريقة ما بحيث تلامسان عاكس التيار لتسمحا للتيار بالمرور خلال الحلقة السلكية.

عند دوران الحلقة السلكية يدور عاكس التيار أيضًا، ويرتب نصفا عاكس التيار بحيث تتغير الفرشاة الملامسة لكل نصف منهما عندما تصل الحلقة السلكية إلى وضعها الرأسي.

ويؤدي تغير تلامس الفرشاتين إلى عكس اتجاه التيار المار في الحلقة السلكية، مما يؤدي إلى عكس اتجاه القوة المؤثرة في جانبي الحلقة السلكية، فتواصل دورانها. ويتكرر ذلك كل نصف دورة، مما يجعل الحلقة تستمر في دورانها في المجال المغناطيسي.

والناتج هو المحرك الكهربائي، وهو جهاز يستخدم لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية دورانية.

على الرغم من أن الشكل (3-21) محدد بحلقة سلكية واحدة إلا أن المحرك الكهربائي يتكون من لفات عديدة تثبت على محور دوران وتسمى الملف ذا القلب الحديدي.

والقوة الكلية المؤثرة فيه تتناسب طرديًا مع:

[
nILB
]

حيث تمثل (n) عدد لفات الملف، و(B) المجال المغناطيسي، و(I) التيار الكهربائي، بينما تمثل (L) طول السلك في كل لفة تتحرك في المجال المغناطيسي.

ويتم إنتاج المجال المغناطيسي إما بمغناطيس دائم، أو بمغناطيس كهربائي. ويتم التحكم في العزم المؤثر في الملف، ومن ثم التحكم في سرعة المحرك، بتغيير التيار المار في المحرك.

الشكل 3-21

يسمح عاكس التيار، حلقة فلزية مشقوقة، في المحرك الكهربائي بتغيير اتجاه التيار المار في الحلقات السلكية، وبذلك تتمكن الحلقات في المحرك من الدوران (360^\circ).

---

مسألة تحفيز

يبين الشكل المجاور محركين كهربائيين متماثلين مستطيلي الشكل، طول كل منهما (35cm)، وعرضه (17cm)، ومقاومته (12\Omega)، وعدد لفاته (48) لفة، على محور دوران واحد في مجال مغناطيسي شدته (0.21T). لتبسيط الرسم لم يرسم عاكسا التيار.

وصل السلك الأحمر بأقصى يسار الضلع الذي يمثل عرض الملف، ثم عاد إلى مؤخرة المحرك على الضلع الذي يمثل طول الملف. ولتعمل جاذبية الأرض على منع محور المحرك من الدوران تم تثبيت بكرة قطرها (7.2cm) على المحور، ومرر عليها حبل كما في الشكل.

• اشتق علاقة للعزم المؤثر في الملف وفق الوضع المبين باستخدام:

[
F=ILB
]

• أوجد مقدار العزم المؤثر في المحور عند إغلاق المفتاح (S_1) وفتح المفتاح (S_2)، وأوجد مقدار القوة المؤثرة في الميزان النابضي.

• أوجد مقدار العزم المؤثر في المحور عند إغلاق المفتاحين، ومقدار القوة المؤثرة في الميزان النابضي.

• ماذا يحدث للعزم عند دوران الملف؟

---

القوة المؤثرة في جسيم مشحون

The Force on a Single Charged Particle

لا يقتصر وجود الجسيمات المشحونة في الأسلاك فقط، لكنها قد تتحرك في الفراغ أيضًا؛ حيث يتم إزالة جزيئات الهواء لمنع حدوث التصادمات.

ففي أنبوب الأشعة المهبطية المستخدم في شاشات الحاسوب القديمة، وشاشات التلفاز القديمة يستخدم انحراف الإلكترونات بواسطة المجالات المغناطيسية لتشكيل صورة على الشاشة، كما في الشكل (3-22).

تعمل المجالات الكهربائية على انتزاع الإلكترونات من الذرات في القطب السالب، الكاثود، وتعمل مجالات كهربائية أخرى على تجميع هذه الإلكترونات وتسريعها وتركيزها في حزمة ضيقة.

ثم تعمل مجالات مغناطيسية على التحكم في حركة هذه الحزمة إلى الأمام وإلى الخلف، وأفقيًا ورأسيًا على الشاشة. وتطلى الشاشة بطبقة فوسفورية تشع عندما تصطدم الإلكترونات بها، فتنتج الصورة.

تعتمد القوة المغناطيسية الناتجة عن المجال المغناطيسي المؤثرة في الإلكترون على كل من سرعة الإلكترون، وشدة المجال المغناطيسي، والزاوية المحصورة بين متجه السرعة واتجاه المجال المغناطيسي.

افترض أن إلكترونًا مفردًا يتحرك داخل سلك طوله (L)، وأن حركة هذا الإلكترون عمودية على اتجاه مجال مغناطيسي؛ لأن التيار (I) يساوي الشحنة المارة في السلك لكل وحدة زمن، فإن:

[
I=\frac{q}{t}
]

حيث (q) شحنة الإلكترون، و(t) الزمن الذي يحتاج إليه الإلكترون لقطع المسافة (L).

وحيث إن الزمن الذي يستغرقه جسيم ما لقطع مسافة مقدارها (L) بسرعة تساوي (v) يحسب من معادلة الحركة:

[
d=vt
]

أو:

[
t=\frac{L}{v}
]

حيث تعد (d) هي نفسها (L).

وبتعويض قيمة:

[
t=\frac{L}{v}
]

في معادلة التيار:

[
I=\frac{q}{t}
]

نجد أن:

[
I=\frac{qv}{L}
]

لذا يمكن حساب القوة المغناطيسية المؤثرة في الإلكترون المتحرك عموديًا على المجال المغناطيسي (B) عن طريق المعادلة الآتية:

القوة التي يؤثر بها المجال المغناطيسي في جسيم مشحون متحرك

[
F=qvB(\sin \theta)
]

القوة المؤثرة في جسيم مشحون متحرك عموديًا على مجال مغناطيسي تساوي حاصل ضرب شدة المجال المغناطيسي في كل من سرعة الجسيم وشحنته.

حيث شحنة الجسيم مقيسة بوحدة الكولوم (C)، والسرعة مقيسة بوحدة (m/s)، وشدة المغناطيس مقيسة بوحدة التسلا (T).

ويكون اتجاه القوة دائمًا عموديًا على كل من اتجاه سرعة الجسيم واتجاه المجال المغناطيسي. والاتجاه الذي يحدد باستخدام القاعدة الثالثة لليد اليمنى يكون خاصًا بالجسيمات ذات الشحنة الموجبة. أما اتجاه القوة المؤثرة في الإلكترونات فيكون معاكسًا للاتجاه الناتج.

الشكل 3-22

تعمل أزواج من المغانط على انحراف حزمة الإلكترونات رأسيًا وأفقيًا لتشكيل صور للعرض.

---

مثال 2

القوة المؤثرة في جسيم مشحون متحرك في مجال مغناطيسي

تتحرك حزمة إلكترونات بسرعة:

[
3.0\times10^6 m/s
]

عموديًا على مجال مغناطيسي منتظم مقداره:

[
4.0\times10^{-2}T
]

ما مقدار القوة المؤثرة في كل إلكترون؟

1 تحليل المسألة ورسمها

ارسم حزمة الإلكترونات واتجاه حركتها، وخطوط المجال المغناطيسي (B)، والقوة المؤثرة في حزمة الإلكترونات (F).

تذكر أن اتجاه القوة سيكون معاكسًا للاتجاه الناتج بواسطة القاعدة الثالثة لليد اليمنى؛ لأن شحنة الإلكترون سالبة.

المعلوم

[
v=3.0\times10^6 m/s
]

[
B=4.0\times10^{-2}T
]

[
q=-1.60\times10^{-19}C
]

المجهول

[
F=?
]

2 إيجاد الكمية المجهولة

[
F=qvB
]

بالتعويض عن:

[
q=-1.60\times10^{-19}C
]

[
v=3.0\times10^6 m/s
]

[
B=4.0\times10^{-2}T
]

[
F=(-1.60\times10^{-19}C)(3.0\times10^6m/s)(4.0\times10^{-2}T)
]

[
F=-1.9\times10^{-14}N
]

3 تقويم الجواب

هل الوحدات صحيحة؟

[
T=\frac{N}{A.m}
]

و:

[
A=\frac{C}{s}
]

لذا فإن:

[
T=\frac{N.s}{C.m}
]

لذا فإن:

[
T.C.\frac{m}{s}=N
]

وهي وحدة القوة.

هل الاتجاه صحيح؟
استخدم القاعدة الثالثة لليد اليمنى للتأكد من أن اتجاهات القوى صحيحة. وتذكر أن القوة المؤثرة في الإلكترون تكون معاكسة للقوة الناتجة بواسطة القاعدة الثالثة لليد اليمنى.

هل الجواب منطقي؟
القوى المؤثرة في البروتونات والإلكترونات دائمًا تشكل جزءًا صغيرًا من النيوتن.

دليل الرياضيات

إجراء العمليات الحسابية باستعامل الأرقام المعنوية

---

مسائل تدريبية

• إلى أي اتجاه يشير الإبهام عند استخدام القاعدة الثالثة لليد اليمنى لإلكترون يتحرك عموديًا على مجال مغناطيسي؟

• يتحرك إلكترون عموديًا على مجال مغناطيسي شدته (0.50T) بسرعة:

[
4.0\times10^6 m/s
]

ما مقدار القوة المؤثرة في الإلكترون؟

• تتحرك حزمة من الجسيمات الثنائية التأين، فقد كل جسيم إلكترونين، لذا أصبح كل جسيم يحمل شحنتين أساسيتين، بسرعة:

[
3.0\times10^4 m/s
]

عموديًا على مجال مغناطيسي شدته:

[
9.0\times10^{-2}T
]

ما مقدار القوة المؤثرة في كل أيون؟

• دخلت حزمة من الجسيمات الثلاثية التأين، يحمل كل منها ثلاث شحنات أساسية موجبة، عموديًا على مجال مغناطيسي شدته:

[
4.0\times10^{-2}T
]

بسرعة:

[
9.0\times10^6 m/s
]

احسب مقدار القوة المؤثرة في كل أيون.

• تتحرك ذرات هيليوم ثنائية التأين، جسيمات ألفا، بسرعة:

[
4.0\times10^4 m/s
]

عموديًا على مجال مغناطيسي مقداره:

[
5.0\times10^{-2}T
]

ما مقدار القوة المؤثرة في كل جسيم؟

---

تخزين المعلومات عن طريق الوسائط المغناطيسية

Storing Information with Magnetic Media

يتم تخزين البيانات وأوامر برمجيات أجهزة الحاسوب رقميًا في صورة وحدات صغيرة ((bits))، وكل وحدة ((bit)) حددت إما بـ (0) أو بـ (1).

فكيف تخزن هذه الوحدات؟ يكون سطح قرص التخزين في الحاسوب مغطى بجسيمات مغناطيسية موزعة بصورة متساوية على شريحة. ويتغير اتجاه المناطق المغناطيسية للجسيمات تبعًا للتغير في المجال المغناطيسي.

وفي أثناء التسجيل على القرص يرسل تيار كهربائي إلى رأس القراءة/الكتابة والذي يعد مغناطيسًا كهربائيًا مكونًا من سلك ملفوف على قلب حديدي، حيث يولد التيار المار في السلك مجالًا مغناطيسيًا في القلب الحديدي.

عندما يمر رأس القراءة/الكتابة فوق قرص التخزين الدوار، كما هو موضح في الشكل (3-23)، ترتب ذرات المناطق المغناطيسية الموجودة على الشريحة المغناطيسية في صورة حزم.

وتعتمد اتجاهات المناطق المغناطيسية على اتجاه التيار.

وتمثل شفرة كل حزمتين وحدة صغيرة ((bit)) واحدة من المعلومات. وتمثل الحزمتان الممغنطتان اللتان تشير أقطابهما إلى الاتجاه نفسه الرمز (0). أما الحزمتان الممغنطتان اللتان تشير أقطابهما إلى اتجاهين متعاكسين فتمثلان الرمز (1).

وينعكس تيار التسجيل دائمًا عندما يبدأ رأس القراءة/الكتابة بتسجيل وحدة المعلومة اللاحقة.

لاسترجاع المعلومات لا يتم إرسال أي تيار إلى رأس القراءة/الكتابة، وبدلًا من ذلك تعمل الحزم الممغنطة الموجودة على القرص على توليد تيار في الملف بطريقة الحث عندما يدور القرص تحت الرأس.

وتغيرات اتجاه التيار المتولد بالحث تستشعر بالحاسوب باستعمال النظام الثنائي في العد، صفر، واحد.

الشكل 3-23

تكتب المعلومات على قرص الحاسوب بواسطة تغيير المجال المغناطيسي في رأس القراءة/الكتابة في أثناء مرور الوسيطة تحته. وهذا يجعل الجسيمات المغناطيسية في الوسيطة تترتب بنمط يمثل المعلومات المخزنة.

---

3-2 مراجعة

• القوى المغناطيسية: تخيل أن سلكًا يمتد شرق - غرب متعامدًا مع المجال المغناطيسي الأرضي، ويسري فيه تيار إلى الشرق، فما اتجاه القوة المؤثرة في السلك؟

• الانحراف: تقترب حزمة إلكترونات في أنبوب الأشعة المهبطية من المغانط التي تحرفها. فإذا كان القطب الشمالي في أعلى الأنبوب والقطب الجنوبي في أسفله، وكنت تنظر إلى الأنبوب من جهة الشاشة الفوسفورية، ففي أي اتجاه تنحرف الإلكترونات؟

• الجلفانومتر: قارن بين مخطط الجلفانومتر الموضح في الشكل (3-19) ومخطط المحرك الموضح في الشكل (3-21). ما أوجه التشابه والاختلاف بينهما؟

• المحركات الكهربائية: عندما يتعامد مستوى ملف المحرك مع المجال المغناطيسي لا تنتج القوى عزمًا على الملف، فهل هذا يعني أن الملف لا يدور؟ وضح إجابتك.

• المقاومة الكهربائية: يحتاج جلفانومتر إلى (180\mu A) لكي ينحرف مؤشره إلى أقصى تدريج. ما مقدار المقاومة الكلية، مقاومة الجلفانومتر ومقاومة المجزئ، اللازمة للحصول على فولتميتر أقصى تدريج يقيسه (5.0V)؟

• التفكير الناقد: كيف يمكنك معرفة أن القوتين بين سلكين متوازيين يمر فيهما تياران ناتجتان عن الجذب المغناطيسي بينهما وليستا ناتجتين عن الكهرباء السكونية؟

تنبيه: فكر في نوع الشحنات عندما تكون القوة تجاذبًا، ثم فكر في القوى عندما يكون هناك ثلاثة أسلاك متوازية تحمل تيارات في الاتجاه نفسه.