درسنامه آموزشی فیزیک (2) پایه یازدهم رشته علوم ریاضی
2-3 میدان مغناطیسی
هرگاه آهنربایی را به یک میخ آهنی نزدیک کنید میبینید که میخ به طرف آهنربا حرکت میکند و به سمت آن جذب میشود (شکل 3-5). مشابه آنچه دربارهٔ اجسام باردار دیدید، برای توجیه این پدیده میگوییم در فضای اطراف آهنربا میدان مغناطیسی وجود دارد که سبب جذب میخ شده است. میدان مغناطیسی نیز مانند میدان الکتریکی که در فصل 1 با آن آشنا شدید، کمیتی برداری است و آن را با نماد $\overrightarrow{B}$ نمایش میدهیم.
فعالیت 3-1 (صفحهٔ 85 کتاب درسی)
یکی از قطبهای یک آهنربای میلهای را به یک عقربهٔ مغناطیسی نزدیک کنید (شکل زیر). آنچه را میبینید توضیح دهید.
عقربهی مغناطیسی به سمت آهنربا حرکت میکند. چون عقربهی مغناطیسی آهنربا است، جاذبهی بین قطبهای ناهمنام باعث حرکت عقربه به سمت آهنربا میشود.
با دور کردن آهنربا از قطب نما چه اتفاقی میافتد؟ دلیل آن را شرح دهید. در صورتی که قطبنما در اختیار ندارید، یک سوزن ته گرد مغناطیسی شده را روی سطح آب، درون ظرفی شناور سازید. به این ترتیب، سوزن ته گرد مانند عقربهٔ مغناطیسی یک قطب نما رفتار میکند.
میدان مغناطیسی زمین عقربه را به حالت اولیّه خود باز میگرداند.
به کمک عقربهٔ مغناطیسی میتوان جهت میدان مغناطیسی را در هر نقطه از فضای اطراف یک آهنربا تعیین کرد (شکل 3-6 الف). بنا به تعریف، بردار میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضای پیرامون یک آهنربا در جهتی است که وقتی عقربهٔ مغناطیسی در آن نقطه قرار میگیرد، قطب $N$ عقربه، آن جهت را نشان میدهد. با تعیین جهت میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضای اطراف آهنربا، میتوان همانگونه که برای میدان الکتریکی انجام دادیم، خطهای میدان مغناطیسی را رسم کنیم. شکل 3-6 ب خطهای میدان مغناطیسی را در اطراف یک آهنربای میلهای نشان میدهد. این خطها از آهنربا میگذرند و هریک از آنها یک حلقهٔ بسته را تشکیل میدهند. افزون بر اینها، خطهای میدان مغناطیسی در نزدیکی قطبها به یکدیگر نزدیکترند.
پرسش 3-3 (صفحهٔ 86 کتاب درسی)
1- شکل زیر، یک آهنربای میلهای و تعدادی عقربهٔ مغناطیسی را نشان میدهد. (الف) کدام سر آهنربا قطب $N$ و کدام سر قطب $S$ است؟
با توجه به جهت گیری عقربۀ مغناطیسی، سمت راست آهنربا قطب $N$ و سمت چپ آن قطب $S$ است. (خطوط میدان مغناطیسی در اطراف آهنربا از قطب $N$ خارج شده و به قطب $S$ وارد میشوند.)
(ب) جهتگیری عقربههای مغناطیسی را در دیگر مکانهای روی شکل تعیین کنید.
2- شکل زیر، خطهای میدان مغناطیسی در ناحیهای از فضا را نشان میدهد. بردار میدان مغناطیسی را در هر یک از نقطههای روی شکل رسم کنید. به اندازه و جهت بردار میدان در هر نقطه توجه کنید.
بردار میدان مغناطیسی در هر نقطه مماس بر خطوط میدان در آن نقطه است همچنین در نقاطی که خطهای میدان مغناطیسی متراکمتر هستند اندازه بردار میدان بزرگتر است.
فعالیت 3-2 (صفحهٔ 86 کتاب درسی)
یک آهنربای میلهای را روی سطح افقی میزی قرار دهید. یک قطبنما یا عقربهٔ مغناطیسی را مقابل یکی از قطبهای آهنربا قرار دهید. روی مسیری دایرهای شکل دور آهنربا، عقربه را به آرامی حرکت دهید (شکل زیر). بررسی کنید پس از یک دور حرکت، عقربه چند درجه میچرخد.
در هر $90$ درجه چرخش قطبنما به دور آهنربا، عقربهی آن $180$ درجه میچرخد، بنابراین در یک دور چرخش کامل قطبنما به دور آهنربا عقربه آن $4\times 180=720{}^\circ$ خواهد چرخید.
آزمایش 3-1
هدف: مشاهده طرح خطهای میدان مغناطیسی با استفاده از براده آهن
وسیلههای مورد نیاز: آهنربای میلهای (دو عدد)، برادهٔ آهن، یک ورقهٔ شیشهای یا مقوایی، نمک پاش (یا وسیلهٔ دیگری برای پاشیدن برادهٔ آهن) و دوربین برای عکس گرفتن از نتیجهٔ آزمایش (اختیاری)
شرح آزمایش:
یکی از آهنرباهای میلهای را روی میز قرار دهید و صفحهٔ شیشهای (یا مقوایی) را روی آن بگذارید.
به کمک نمک پاش، کمی برادهٔ آهن را به طور یکنواخت روی شیشه (مقوا) بپاشید.
چند ضربهٔ آرام به صفحهٔ شیشهای بزنید تا برادههای آهن در راستای خطهای میدان مغناطیسی قرار گیرند. طرحی که روی صفحهٔ شیشهای پدیدار میشود، نقشهای از خطهای میدان مغناطیسی یک آهنربای میلهای است (شکل الف).
مراحل بالا را برای دو آهنربای میلهای که به ترتیب: قطبهای ناهمنام و قطبهای همنام آنها به یکدیگر نزدیکاند انجام دهید (شکلهای ب و پ).
میدان مغناطیسی زمین: زمین مانند یک آهنربای بسیار بزرگ رفتار میکند و طرح خطهای میدان مغناطیسی آن مانند طرح خطهای آهنربای میلهای بزرگی است که در نزدیکی مرکز زمین قرار دارد و قطب شمال آن در نزدیکی قطب جنوب جغرافیایی زمین است (شکل 3-7). نشان دادن خطهای میدان مغناطیسی زمین به صورت خطهای میدان یک آهنربای میلهای، تنها یک مدل ساده از ساختار پیچیده و ناشناختهٔ عوامل ایجاد میدان مغناطیسی زمین است. شواهد زمین شناختی نشان میدهند که جهت این میدان در بازههای زمانی نامنظّم از ده هزار تا یک میلیون سال به طور کامل وارون میشود. قطبهای مغناطیسی زمین بر قطبهای جغرافیایی آن منطبق نیستند. در واقع، قطبهای مغناطیسی و جغرافیایی زمین فاصلهٔ نسبتاً زیادی از یکدیگر دارند؛ مثلاً قطب جنوب مغناطیسی تقریباً در فاصلهٔ 1800 کیلومتری قطب شمال جغرافیایی قرار دارد. این بدان معناست که عقربهٔ مغناطیسی قطب نما درجهت شمال واقعی جغرافیایی قرار نمیگیرد و تا حدودی از شمال جغرافیایی انحراف دارد.
فعالیت 3-3 (صفحهٔ 88 کتاب درسی)
وقتی یک سوزن مغناطیسی شده یا یک عقربهٔ مغناطیسی را از وسط آن آویزان میکنیم در بیشتر نقاط زمین، به طور افقی قرار نمیگیرد و امتداد آن با سطح افقی زمین زاویه میسازد. به این زاویه، شیب مغناطیسی گفته میشود.
برای یافتن شیب مغناطیسی محلی که در آن زندگی میکنید درست به وسط یک سوزن مغناطیسی شده یا عقربهٔ مغناطیسی بزرگ، نخی را ببندید و آن را آویزان کنید. پس از تعادل، به کمک نقاله، زاویهای را اندازه بگیرید که امتداد سوزن یا عقربهٔ مغناطیسی با راستای افق میسازد. عدد به دست آمده، شیب مغناطیسی محل زندگی شماست. چنانچه در آزمایشگاه مدرسه شیب سنج مغناطیسی موجود باشد میتوانید از آن نیز استفاده کنید.
با انجام این فعالیت در شهر تهران، شیب مغناطیسی در حدود $40{}^\circ $ اندازهگیری میشود.
خوب است بدانید: جهتیابی مغناطیسی در جانداران
بسیاری از موجودات زنده از میدان مغناطیسی زمین برای جهتیابی استفاده میکنند. خرچنگ خاردار کارائیب در برابر میدانهای مغناطیسی بسیار حساس است (شکل - الف). این جاندار یک قطب نمای مغناطیسی درونی دارد که تشخیص شمال، جنوب، شرق و غرب را برایش امکان پذیر میکند. این خرچنگ همچنین میتواند تفاوت اندک در میدان مغناطیسی زمین از مکانی به مکان دیگر را حس کند و از این تفاوت، در یافتن مسیر خود بهره بگیرد.
در سال 1975 میلادی دانشمندان مؤسسهٔ فنّاوری ماساچوست $(MIT)$ هنگام بررسی باکتریهای موجود در لجن ته باتلاقها، متوجه شدند که این باکتریها دارای قسمتهایی کوچک در بدن خود هستند که خاصیت مغناطیسی دارند. این قسمتها به صورت زنجیری در یک خط قرار دارند؛ در نتیجه یک عقربهٔ مغناطیسی کوچک را تشکیل میدهند (شکل ب). باکتریها به کمک این مغناطیس داخلی میتوانند از میدان مغناطیسی زمین بهره بگیرند و به طرف مواد غذایی در ته آبگیر هدایت شوند. جالب اینکه باکتریهای مربوط به نیمکرهٔ جنوبی زمین، برای رسیدن به تِه آبگیر در خلاف جهت خطهای میدان مغناطیسی زمین قرار میگیرند.
میدان مغناطیسی یکنواخت: هرگاه در نقاط مختلف ناحیهای از فضا جهت و اندازهٔ میدان مغناطیسی یکسان باشد، در این صورت میدان مغناطیسی را در آن ناحیه یکنواخت میگویند. ایجاد میدان مغناطیسی یکنواخت در ناحیهٔ بزرگی از فضا بسیار دشوار و در عمل امکان ناپذیر است. با این وجود، میتوان در ناحیهٔ کوچکی از فضا، مانند ناحیهٔ بین قطبهای یک آهنربای $C$ شکل، میدان مغناطیسی یکنواخت ایجاد کرد (3-8).
