درسنامه آموزشی فیزیک (2) پایه یازدهم رشته علوم ریاضی
4-3 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان
موتورهای الکتریکی ابزارهایی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند و اساس کار بسیاری از دستگاهها نظیر جاروی برقی، متهٔ برقی، آسیاب برقی، ماشین لباسشویی، پنکه و… را تشکیل میدهند. شکل 3-11 طرحی ساده از اجزای اصلی یک موتور الکتریکی را نشان میدهد که در علوم سال هشتم با نحوه ساختن آن آشنا شدید. چه چیز باعث میشود یک موتور الکتریکی کار کند؟
در هر موتور الکتریکی، سیمهایی وجود دارند که حامل جریاناند (یعنی بارهای الکتریکی در آنها در حرکتاند) و آهنرباهایی نیز وجود دارند که بر بارهای متحرک نیرو وارد میکنند. از اینرو، بر هر سیم حامل جریان، نیروی مغناطیسی وارد میشود و این نیروها حلقه را میچرخاند.
آزمایش 3-2 (پرسش صفحهٔ 92 کتاب درسی)
هدف: بررسی نیروی وارد بر سیم حامل جریان
وسیلههای مورد نیاز: آهنربای نعلی شکل، سیم مسی ضخیم، سیم رابط، پایه، نخ و باتری
شرح آزمایش:
* مداری مطابق شکل الف ببندید تا جریان از سیم مسی بگذرد. آنچه را که مشاهده میکنید، در گروه خود به بحث بگذارید.
به سیم مسی حامل جریان در میدان مغناطیسی آهنربا، نیروی وارد شده و سیم مسی از آهنربا دور میشود.
* در صورتی که وسیلهای مشابه شکل ب را در آزمایشگاه مدرسه در اختیار دارید میتوانید از آن استفاده کنید.
* مدار را قطع کنید و جهت جریان را تغییر داده و مراحل بالا را دوباره انجام دهید.
با تغییر جهت جریان نیروی وارد بر سیم نیز تغییر کرده و سیم به سمت آهنربا منحرف میشود، یعنی جهت جریان بر جهت نیرو اثر دارد.
نتیجهٔ آزمایش را به کلاس گزارش دهید.
هنگامی که سیم حامل جریان را در میدان مغناطیسی قرار میدهیم از طرف میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان نیرو وارد میشود. همچنین نیرویی که در میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان وارد میشود، بر راستای سیم و نیز بر راستای میدان مغناطیسی عمود است. اگر جریان عبوری از سیم را افزایش دهیم، سیم حامل جریان با شدت بیشتری حرکت میکند.
اورستد (فیزیکدان دانمارکی) با انجام آزمایشهایی شبیه آزمایش 3-2 و اندازهگیری نیرویی که بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی وارد میشود، نشان داد:
نیرویی که در میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان الکتریکی وارد میشود، بر راستای سیم و نیز بر راستای میدان مغناطیسی عمود است. جهت نیروی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی را میتوان با استفاده از قاعدهٔ دست راست تعیین کرد (شکل 3-12).
عاملهای مؤثر بر نیروی مغناطیسی وارد بر سیم راست رسانای حامل جریان: آزمایشهایی مشابه آزمایش 3-2 نشان میدهند که نیروی مغناطیسی وارد بر یک سیم رسانای حامل جریان در میدان مغناطیسی یکنواخت، به عاملهای مختلفی بستگی دارد که این عاملها در رابطهٔ زیر بیان شدهاند:
(3-3) $F=IlB\sin \theta $
در این رابطه $l$ طول بخشی از سیم رساناست که در میدان مغناطیسی یکنواخت $B$ قرار دارد. زاویهای را که امتداد سیم با خطوط میدان مغناطیسی میسازد با $\theta $ نشان دادهایم (شکل3-13).
پرسش 3-5 (پرسش صفحهٔ 93 کتاب درسی)
اگر در شکل 3-13 سیم حامل جریان در امتداد میدان مغناطیسی قرار گیرد، نیروی مغناطیسی وارد بر آن چقدر خواهد بود؟ در چه حالتی بزرگی این نیرو بیشینه میشود؟
اگر سیم حامل جریان در امتداد میدان مغناطیسی قرار گیرد ($\theta =180{}^\circ $ یا $\theta =0{}^\circ $) نیروی وارد بر آن صفر و اگر عمود بر میدان مغناطیسی قرار گیرد $\theta =90{}^\circ $ نیروی وارد بر آن بیشینه خواهد بود.
تمرین 3-2 (پرسش صفحهٔ 93 کتاب درسی)
سیم مستقیمی به طول $2/4m$ حامل جریان $2/5A$ از شرق به غرب است. اندازهٔ میدان مغناطیسی زمین در محل این سیم $0/45G$ و جهت آن از جنوب به شمال است. اندازه و جهت نیروی مغناطیسی وارد بر این سیم را تعیین کنید.
$\theta =90{}^\circ $ ، $I=2/5A$ ، $l=2/4m$
$F=?$ ، $B=0/45G=0/45\times {{10}^{-4}}T$
$F=IlB\sin \theta =2/5\times 2/4\times 0/45\times {{10}^{-4}}\sin 90{}^\circ =2/7\times {{10}^{-4}}N\to F=2/7\times {{10}^{-4}}N$
طبق قاعدهی دست راست جهت نیروی وارد بر سیم به سمت پایین است.
فعالیت 3-4 (پرسش صفحهٔ 93 کتاب درسی)
آزمایشی را طراحی کنید که به کمک آن بتوان نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان الکتریکی درون میدان مغناطیسی را اندازه گیری کرد. در صورت لزوم، برای اجرای این آزمایش میتوانید از ترازوهای دیجیتال (رقمی) با دقت $0/01g$ استفاده کنید.
مداری مطابق شکل تشکیل داده و در میدان مغناطیسی برونسوی یکنواختی قرار میدهیم. جریان پادساعتگردی ایجاد میکنیم تا طبق قاعدهی دست راست، نیروی مغناطیسی وارد بر سیم روبه بالا باشد. (نیروی مغناطیسی نیروی وزن سیم را خنثی کند). مقدار جریان عبوری از سیم را توسط رئوستا تغییر میدهیم تا اینکه نیروسنجها عدد صفر را نشان دهند. در این حالت نیروی مغناطیسی وارد بر سیم با وزن سیم برابر است: ${{F}_{B}}=mg$
خوب است بدانید: طرز کار گالوانومتر
گالوانومتر وسیلهای است که با آن میتوان جریانهای الکتریکی بسیار کوچک از مرتبهٔ میکروآمپر را اندازه گرفت. با استفاده از مطالبی که تاکنون فراگرفتهایم، میتوان ساز وکار گالوانومتر عقربهای را مورد بررسی قرار داد.
هر گالوانومتر قابی دارد که دور آن سیمی پیچیده شده است. این پیچه در میدان مغناطیسی آهنربای دائمی قرار دارد. وقتی جریان از پیچه میگذرد، میدان مغناطیسی با وارد کردن نیرو به سیمهای حامل جریان، گشتاوری ایجاد میکند که پیچه را میچرخاند (شکل روبه رو) و عقربهٔ متصل به پیچه منحرف میشود. هر قدر جریان بزرگتر شود، چرخش پیچه و انحراف عقربه بیشتر خواهد شد. اگر جهت جریان وارون شود، جهت چرخش پیچه و انحراف عقربه نیز وارون خواهد شد. با قطع جریان، فنر ظریف نشان داده شده در شکل، پیچه و عقربه را به حالت اولیهٔ خود بر میگرداند. صفحهٔ گالوانومتر که عقربه در مقابل آن میچرخد را برحسب یکای میکرو آمپر مدرّج میکنند.
