الثانوية العامة 2026الاستعلام عن النتيجةاعرف الكليات المناسبة لمجموعكتنسيق 2026

الفيزياء · الصف الثالث الثانوي

التأثير المغناطيسي والتيار الكهربي

المجال المغناطيسي الناتج عن تيار في سلك مستقيم وملف دائري وملف لولبي، والقوة المغناطيسية على سلك يمر به تيار، وعزم الازدواج على ملف، والجلفانومتر وتحويله إلى أميتر وفولتميتر وأوميتر.

آخر تحديث: · كيف نراجع المحتوى

أهداف التعلم

  • تحسب كثافة الفيض المغناطيسي لتيار في سلك مستقيم وملف دائري وملف لولبي وتحدد اتجاهها.
  • تحسب القوة المؤثرة على سلك يمر به تيار في مجال مغناطيسي وتحدد اتجاهها.
  • تحسب عزم الازدواج المؤثر على ملف مستطيل في مجال.
  • تشرح فكرة الجلفانومتر وكيف يتحول إلى أميتر وفولتميتر وأوميتر.

شرح الدرس

المجال المغناطيسي لتيار

تُوصف شدة المجال بـ كثافة الفيض المغناطيسي BB، وهي الفيض المغناطيسي العمودي على وحدة المساحة، وتقاس بالتسلا (Wb/m2\text{Wb/m}^2 أو N/A⋅m\text{N/A·m}).

1. سلك مستقيم: تنتشر برادة الحديد حول السلك في دوائر متحدة المركز تتزاحم قرب السلك، فالمجال يشتد بالاقتراب منه وبزيادة التيار: B=μI2πdB = \frac{\mu I}{2\pi d} حيث dd البعد العمودي عن السلك وμ\mu النفاذية المغناطيسية للوسط، وللهواء μ=4π×10−7 Wb/A⋅m\mu = 4\pi \times 10^{-7}\ \text{Wb/A·m}. ولذلك يُنصح بإقامة المساكن بعيدًا عن أبراج الضغط العالي. قاعدة اليد اليمنى: نقبض بها على السلك والإبهام في اتجاه التيار فتشير الأصابع إلى اتجاه المجال.

2. ملف دائري: يشبه مجاله مجال مغناطيس قصير. ويكون المجال عند مركزه منتظمًا: B=μNI2rB = \frac{\mu N I}{2r} حيث NN عدد اللفات وrr نصف قطر الملف. فهو يتناسب طرديًا مع NN وII وعكسيًا مع rr. ويُحدد الاتجاه بقاعدة البريمة اليمنى: يدور اتجاه الدوران مع التيار فيشير تقدم البريمة إلى اتجاه المجال. والوجه الذي يبدو فيه التيار مع عقارب الساعة قطب جنوبي والآخر شمالي، فالملف ثنائي قطب مغناطيسي إذ لا توجد أقطاب منفردة.

3. ملف لولبي: يشبه مجاله مجال قضيب مغناطيسي. خطوط الفيض مسارات مغلقة داخل الملف وخارجه، والطرف الذي تخرج منه الخطوط هو الشمالي. وعند نقطة على محوره من الداخل: B=μnI=μNℓIB = \mu n I = \mu \frac{N}{\ell} I حيث nn عدد اللفات في وحدة الأطوال وℓ\ell طول الملف. ويزداد BB كثيرًا بوضع قلب من الحديد لأن نفاذيته أكبر كثيرًا من نفاذية الهواء. وتُعرف القطبية بقاعدة البريمة اليمنى أو قاعدة أمبير لليد اليمنى.

القوة على سلك يمر به تيار

عندما يوضع سلك يمر به تيار في مجال مغناطيسي تنشأ قوة عمودية على السلك وعلى المجال معًا، وينعكس اتجاهها بعكس التيار أو المجال. وتحدد بـ قاعدة اليد اليسرى لفلمنج: نجعل الإبهام والسبابة والوسطى متعامدة، فتشير السبابة إلى المجال والوسطى إلى التيار فيشير الإبهام إلى القوة (وحركة السلك).

تتناسب القوة طرديًا مع طول السلك وشدة التيار وكثافة الفيض: F=BIℓsin⁡θF = B I \ell \sin\theta حيث θ\theta الزاوية بين السلك واتجاه المجال؛ وتكون أكبر ما يمكن عند θ=90∘\theta = 90^\circ وتنعدم عندما يوازي السلك المجال. والتسلا هي كثافة الفيض التي تولد قوة نيوتن واحد على سلك طوله متر يمر به تيار أمبير ويتعامد مع المجال.

وبين سلكين متوازيين يحملان تيارين تنشأ قوة متبادلة: تجاذب إذا كان التياران في الاتجاه نفسه، وتنافر إذا كانا متضادين.

مجال سلك مستقيم يحمل تيارًا، والقوة المغناطيسية على سلك في مجال بقاعدة فلمنج

عزم الازدواج على ملف

في ملف مستطيل مستواه يوازي خطوط مجال منتظم يتأثر ضلعاه العموديان على المجال بقوتين متساويتين متضادتين متوازيتين تكونان ازدواجًا يدير الملف. وعزمه: τ=BIAN\tau = B I A N وهو يساوي mdBm_d B حيث md=IANm_d = IAN عزم ثنائي القطب المغناطيسي، وهو كمية متجهة عمودية على مستوى الملف في اتجاه تقدم بريمة اليد اليمنى. وإذا مال الملف بحيث تكون الزاوية بين العمودي على مستواه والمجال θ\theta فإن τ=BIANsin⁡θ\tau = BIAN\sin\theta. فإذا كان الملف عموديًا على خطوط الفيض انعدم العزم. ويقاس العزم بالنيوتن·متر.

الجلفانومتر ذو الملف المتحرك

جهاز للكشف عن تيارات ضعيفة جدًا وقياس شدتها واتجاهها، وفكرته عزم الازدواج المؤثر في ملف يمر به تيار في مجال مغناطيسي. يتكون من ملف من سلك رفيع على إطار ألومنيوم يدور بين قطبي مغناطيس قوي على شكل حدوة حصان، وأسطوانة من الحديد المطاوع داخل الملف، وزوج من الملفات الزنبركية. والقطبان مقعران فتكون خطوط الفيض شعاعية وكثافة الفيض ثابتة في حيز حركة الملف، فيتناسب انحراف المؤشر مع شدة التيار. يستقر المؤشر عندما يتزن عزم المجال مع عزم الالتواء في الزنبرك المضاد. حساسية الجلفانومتر هي زاوية انحراف المؤشر لوحدة التيار (درجة/ميكروأمبير).

تحويله إلى أميتر: يُوصل مجزئ التيار (مقاومة صغيرة جدًا RsR_s) على التوازي مع الملف. فيمر معظم التيار في المجزئ ويمر في الملف التيار الأقصى فقط IgI_g. وبما أن فرق الجهد واحد: IgRg=(I−Ig)RsI_g R_g = (I - I_g) R_s ومنه Rs=IgRgI−IgR_s = \frac{I_g R_g}{I - I_g} حيث II أقصى تيار يقيسه الأميتر. والأميتر يوصل على التوالي، ومقاومته صغيرة جدًا حتى لا يغير تيار الدائرة.

تحويله إلى فولتميتر: تُوصل مقاومة مضاعفة للجهد RmR_m كبيرة على التوالي مع الملف، ويوصل الجهاز على التوازي مع الجزء المراد قياس جهده. فأقصى جهد V=IgRg+IgRmV = I_g R_g + I_g R_m ومنه Rm=V−IgRgIgR_m = \frac{V - I_g R_g}{I_g} ومقاومة الفولتميتر كبيرة حتى لا يسحب تيارًا ملحوظًا فلا يغير الجهد المقاس.

الأوميتر: ميكروأميتر يُوصل على التوالي مع مقاومة ثابتة وأخرى متغيرة وبطارية جافة. عند تلامس طرفيه (مقاومة صفر) يُضبط المقاومة المتغيرة لينحرف المؤشر إلى نهاية التدريج، وكلما أُدخلت مقاومة مجهولة قل التيار وقل الانحراف، فيُعاير التدريج بالمقاومة؛ وتدريجه عكس تدريج التيار وأقسامه غير متساوية. وإذا ساوت المقاومة المجهولة مقاومة الدائرة الكلية انحرف المؤشر إلى نصف التدريج. والأجهزة التي تستخدم مؤشرًا تسمى تناظرية، وما يعرض أرقامًا على شاشة رقمية.

تعريفات

  • كثافة الفيض المغناطيسي: الفيض المغناطيسي العمودي على وحدة المساحة (التسلا).
  • التسلا: كثافة فيض تولد قوة 1 نيوتن على سلك طوله 1 متر يمر به 1 أمبير عموديًا على المجال.
  • عزم ثنائي القطب المغناطيسي: IANIAN.
  • مجزئ التيار: مقاومة صغيرة على التوازي مع الجلفانومتر لتحويله إلى أميتر.
  • المقاومة المضاعفة للجهد: مقاومة كبيرة على التوالي مع الجلفانومتر لتحويله إلى فولتميتر.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: احسب BB على بعد 5 cm5\ \text{cm} من سلك مستقيم طويل يمر به 20 A20\ \text{A} في الهواء.

الحل: B=4π×10−7×202π×0.05=8×10−5 TB = \dfrac{4\pi \times 10^{-7} \times 20}{2\pi \times 0.05} = 8 \times 10^{-5}\ \text{T}.

مثال 2: ملف دائري من 5050 لفة ونصف قطره 5 cm5\ \text{cm} يمر به 2 A2\ \text{A}. احسب BB عند مركزه.

الحل: B=4π×10−7×50×22×0.05=1.26×10−3 TB = \dfrac{4\pi \times 10^{-7} \times 50 \times 2}{2 \times 0.05} = 1.26 \times 10^{-3}\ \text{T}.

مثال 3: ملف لولبي طوله 0.4 m0.4\ \text{m} وعدد لفاته 10001000 يمر به 3 A3\ \text{A}. احسب BB على محوره داخله.

الحل: B=4π×10−7×1000×30.4=9.42×10−3 TB = \dfrac{4\pi \times 10^{-7} \times 1000 \times 3}{0.4} = 9.42 \times 10^{-3}\ \text{T}.

مثال 4: سلك طوله 0.2 m0.2\ \text{m} يمر به 5 A5\ \text{A} في مجال 0.3 T0.3\ \text{T} ويصنع 30∘30^\circ مع المجال. احسب القوة.

الحل: F=0.3×5×0.2×sin⁡30∘=0.15 NF = 0.3 \times 5 \times 0.2 \times \sin 30^\circ = 0.15\ \text{N}.

مثال 5: ملف مستطيل من 100100 لفة مساحته 0.01 m20.01\ \text{m}^2 يمر به 0.5 A0.5\ \text{A} ومستواه يوازي مجالًا 0.4 T0.4\ \text{T}. احسب عزم الازدواج.

الحل: τ=BIAN=0.4×0.5×0.01×100=0.2 N⋅m\tau = BIAN = 0.4 \times 0.5 \times 0.01 \times 100 = 0.2\ \text{N·m}.

مثال 6 (أميتر): جلفانومتر مقاومته 40 Ω40\ \Omega وأقصى تيار له 2 mA2\ \text{mA}. أوجد مجزئ التيار لقياس حتى 0.5 A0.5\ \text{A}.

الحل: Rs=0.002×400.5−0.002=0.080.498≈0.161 ΩR_s = \dfrac{0.002 \times 40}{0.5 - 0.002} = \dfrac{0.08}{0.498} \approx 0.161\ \Omega.

مثال 7 (فولتميتر): الجلفانومتر نفسه بمقاومة 50 Ω50\ \Omega وأقصى تيار 1 mA1\ \text{mA} يُراد قياس حتى 10 V10\ \text{V}. أوجد المقاومة المضاعفة.

الحل: Rm=10−0.001×500.001=9950 ΩR_m = \dfrac{10 - 0.001 \times 50}{0.001} = 9950\ \Omega.

مثال 8 (أوميتر): ميكروأميتر أقصى تيار له 300 μA300\ \mu\text{A} وبطارية 1.5 V1.5\ \text{V}. ما المقاومة الكلية عند نهاية التدريج؟ وما المقاومة التي تجعل المؤشر عند منتصف التدريج؟

الحل: R=1.5300×10−6=5000 ΩR = \dfrac{1.5}{300 \times 10^{-6}} = 5000\ \Omega. وعند نصف التدريج تساوي المقاومة المجهولة مقاومة الدائرة 5000 Ω5000\ \Omega.

ملاحظات مهمة

  • المجال حول السلك المستقيم دوائر؛ اتجاهه بقاعدة اليد اليمنى، واتجاه القوة بقاعدة فلمنج لليد اليسرى.
  • لا قوة على سلك مواز للمجال (θ=0\theta = 0)، وأكبر قوة عند التعامد.
  • عزم الازدواج أكبر ما يمكن عندما يوازي مستوى الملف المجال، وينعدم عندما يتعامد مع المجال.
  • الأميتر على التوالي بمقاومة صغيرة، والفولتميتر على التوازي بمقاومة كبيرة.
  • في الأوميتر أكبر انحراف يقابل مقاومة صفر.

المفاهيم الأساسية

  • B=μI2πdB = \dfrac{\mu I}{2\pi d} وB=μNI2rB = \dfrac{\mu N I}{2r} وB=μNℓIB = \mu \dfrac{N}{\ell} I.
  • F=BIℓsin⁡θF = BI\ell\sin\theta وτ=BIAN\tau = BIAN.
  • Rs=IgRgI−IgR_s = \dfrac{I_g R_g}{I - I_g} وRm=V−IgRgIgR_m = \dfrac{V - I_g R_g}{I_g}.

ملخص الدرس

التيار الكهربي يولد مجالًا مغناطيسيًا يعتمد على شكل الموصل. ويؤثر المجال بقوة على سلك يحمل تيارًا وبعزم ازدواج على ملف، وعلى ذلك يقوم الجلفانومتر ذو الملف المتحرك الذي يتحول بمجزئ تيار إلى أميتر وبمقاومة مضاعفة إلى فولتميتر وبمقاومات وبطارية إلى أوميتر.

أسئلة للتدريب

  1. ما العوامل التي تعتمد عليها كثافة الفيض عند مركز ملف دائري؟
  2. أثبت أن F=BIℓF = BI\ell لسلك عمودي على المجال.
  3. علل: يوضع قلب من الحديد المطاوع داخل ملف الجلفانومتر.
  4. جلفانومتر مقاومة ملفه 5 Ω5\ \Omega يقرأ حتى 1 mA1\ \text{mA}؛ احسب مجزئ التيار لقياس حتى 1 A1\ \text{A}.
  5. قارن بين الأميتر والفولتميتر في طريقة التوصيل وقيمة المقاومة.
حلّ أسئلة هذا الدرساختبر فهمك بأسئلة اختيار من متعدد وأسئلة مقالية مع نموذج إجابة، أو خض اختبارًا تفاعليًا سريعًا
أبلغ عن خطأ في هذا الدرس