معلومات حول التيار الكهربائي، والشحنة الكهربائية، والمجال المغناطيسي، والقوة المغناطيسية
في عام 1819، اكتشف العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد (1777-1851) العلاقة بين المغناطيسية والتيار الكهربائي ، أو الشحنات المتحركة . ووجد أنه عندما تكون إبرة البوصلة قريبة من سلك يحمل تيارًا كهربائيًا، فإنها تنحرف. وعندما لا يكون هناك تيار كهربائي، تشير إبرة البوصلة إلى الشمال.
إبرة البوصلة عبارة عن مغناطيس، لذا يمكن للقوة المغناطيسية أن تحركها . من أين تأتي القوة المغناطيسية (F)؟ يوجد بالقرب من إبرة البوصلة سلك يحمل تيارًا كهربائيًا، لذا يجب أن يُنتج التيار الكهربائي قوة مغناطيسية.
انظر إلى الصورة على اليمين. استخدم قاعدة اليد اليمنى لتحديد اتجاه التيار الكهربائي واتجاه المجال المغناطيسي. إذا كان التيار الكهربائي (I) يتحرك لأعلى، فسيكون اتجاه المجال المغناطيسي (B) كما هو موضح في الصورة على اليسار. وعلى العكس، إذا كان التيار الكهربائي يتحرك لأسفل، فسيكون اتجاه المجال المغناطيسي كما هو موضح في الصورة على اليمين.
يُؤثر المجال المغناطيسي بقوة على سلك يحمل تيارًا كهربائيًا
يمكن للتيار الكهربائي أن يؤثر بقوة على إبرة البوصلة المغناطيسية. هل يمكن للمغناطيس أيضاً أن يؤثر بقوة على التيار الكهربائي؟
لنفترض وجود سلك يحمل تيارًا كهربائيًا بين القطبين الشمالي والجنوبي لمغناطيس. يشير السهم من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي إلى اتجاه المجال المغناطيسي. يشير السهم الأحمر إلى اتجاه التيار الكهربائي (I)، بينما يشير السهم الأزرق إلى اتجاه القوة المغناطيسية (F).
يكون اتجاه القوة المغناطيسية F عموديًا على اتجاه التيار الكهربائي I وعموديًا على اتجاه المجال المغناطيسي B. استخدم قاعدة اليد اليمنى لإيجاد اتجاه التيار الكهربائي، واتجاه المجال المغناطيسي، واتجاه القوة المغناطيسية.
توضح المعادلة التالية العلاقة بين القوة المغناطيسية والتيار الكهربائي والمجال المغناطيسي.
F = BI l sin θ
F هو رمز القوة المغناطيسية، B هو رمز المجال المغناطيسي، I هو رمز التيار الكهربائي، l هو رمز طول السلك في المجال المغناطيسي.
θ هي الزاوية بين اتجاه التيار الكهربائي واتجاه المجال المغناطيسي. إذا كان التيار الكهربائي عموديًا على المجال المغناطيسي (90 درجة )، فإن قيمة sin 90 تساوي 1، وبالتالي تصبح المعادلة F = BI l . أما إذا كان التيار الكهربائي موازيًا للمجال المغناطيسي (0 درجة )، فإن قيمة sin 0 تساوي 0، وبالتالي تكون القوة المغناطيسية صفرًا.
لحساب المجال المغناطيسي، تتغير الصيغة أعلاه إلى: B = F / I l.
الوحدة الدولية للقوة المغناطيسية هي نيوتن (N)، والوحدة الدولية للمجال المغناطيسي هي تسلا (T). سُميت تسلا نسبةً إلى المخترع والفيزيائي الصربي الأمريكي نيكولا تسلا (1856-1943). وبناءً على معادلة المجال المغناطيسي المذكورة أعلاه، يُمكن التعبير عن المجال المغناطيسي بوحدة نيوتن لكل أمبير متر (N/A m). بالإضافة إلى تسلا، يُعبر عن المجال المغناطيسي أيضًا بوحدة غاوس (G). سُميت غاوس نسبةً إلى عالم الرياضيات والفلك والفيزياء الألماني يوهان كارل فريدريش غاوس (1777-1855). 1 غاوس = 10⁻⁴ تسلا.
القوة المغناطيسية المؤثرة على شحنة كهربائية تتحرك في مجال مغناطيسي
يمكن للمجال المغناطيسي أن يؤثر بقوة مغناطيسية على سلك يحمل تيارًا كهربائيًا. التيار الكهربائي عبارة عن شحنة كهربائية متحركة، لذا يمكن للمجال المغناطيسي أن يؤثر بقوة مغناطيسية على الشحنات الكهربائية المتحركة بحرية، وليس فقط على سلك موصل.
تُشتق صيغة حساب القوة المغناطيسية المؤثرة على شحنة كهربائية تتحرك في مجال مغناطيسي من صيغة القوة المغناطيسية السابقة F = BI l sin θ . وبما أن I = q/t و l = vt، فإن صيغة القوة المغناطيسية تتغير إلى
وصف التركيبة: F = القوة المغناطيسية، B = المجال المغناطيسي، q = الشحنة الكهربائية، v = سرعة حركة الحمولة، θ = الزاوية بين v دان B
جيكا v عمودي على B ماكا θ = 90o ، حيث sin 90o = 1. من ناحية أخرى، إذا v بالتوازي مع B ماكا θ = 0o، حيث sin 0o = 0. لذا فإن القوة المغناطيسية لها قيمة عظمى عندما v عمودي على B وتكون القوة المغناطيسية صفراً عندما v بالتوازي مع B.
يكون اتجاه القوة المغناطيسية F عموديًا على المجال المغناطيسي B وعموديًا على سرعة الشحنة الكهربائية v.
