بعد دراسة الحقل المغناطيسي ينتقل تلاميذ السنة الثانية ثانوي إلى عنوان جديد: الأفعال المتبادلة الكهرومغناطيسية، أي العلاقة بين الكهرباء والمغناطيس. وعند دمج تيار كهربائي مع حقل مغناطيسي تنشأ قوة تحرك السلك، تسمى قوة لابلاس. وأكثر ما يخطئ فيه التلاميذ هو اتجاه هذه القوة، فتعرض الصفحة طريقة محددة لضبطه، وتنتهي بتمارين.
التجربة: سكة لابلاس
نحتاج الأجهزة التالية:
| الجهاز | ملاحظة |
|---|---|
| مغناطيس على شكل حرف U (أو حرف أ) | يوفر الحقل المغناطيسي بين قطبيه الشمالي والجنوبي |
| سكة لابلاس | خطان متوازيان من معدن موصل |
| سلك نحاسي مستقيم | يوضع عموديا على السكة ويتحرك فوقها |
| مولد تيار مستمر | له قطب موجب وقطب سالب |
نربط السكة بالمولد، ونضع السلك على السكة بين قطبي المغناطيس. عند إغلاق الدارة يمر التيار في السلك، فنلاحظ أن السلك يتحرك ولا يبقى في مكانه، فإما ينجذب في اتجاه وإما في الاتجاه المعاكس.
قوة لابلاس
Fهي القوة التي يطبقها حقل مغناطيسي على سلك يمر فيه تيار كهربائي.
تمثيل الأشعة الثلاثة
لتحديد القوة نمثل ثلاثة أشياء:
- الحقل المغناطيسي
B: اتجاهه خارج المغناطيس من القطب الشمالي نحو القطب الجنوبي. - التيار
I: يخرج من القطب الموجب للمولد ويدخل إلى القطب السالب، ويهمنا اتجاهه في السلك نفسه. - القوة
F: هي المجهولة التي نبحث عنها.
قاعدة اليد اليمنى (ثلاثة أصابع)
نفتح أصابع اليد اليمنى الثلاثة: الإبهام والسبابة والوسطى، متعامدة مثنى مثنى. وهي لا تحتاج الإصبعين الباقيين:
| الإصبع | يشير إلى |
|---|---|
| الإبهام | القوة F (قوة لابلاس) |
| السبابة | التيار I |
| الوسطى | الحقل المغناطيسي B |
الطريقة: وجه السبابة في اتجاه التيار، والوسطى في اتجاه الحقل، فيشير الإبهام إلى اتجاه القوة. ومن الشائع أن يضع التلميذ الأصابع بترتيب مختلف فيحصل على اتجاه معاكس، لذلك يجب حفظ الترتيب الصحيح.
خصائص قوة لابلاس
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| نقطة التأثير | منتصف الجزء من السلك الموجود داخل الحقل |
| الحامل | عمودي على السلك وعمودي على الحقل |
| الاتجاه | تحدده قاعدة اليد اليمنى |
| الشدة | F = I × L × B × sin α |
حيث:
Iشدة التيار بالأمبير (A).Lطول الجزء من السلك داخل الحقل بالمتر (m).Bشدة الحقل المغناطيسي بالتسلا (T).αالزاوية بين السلك واتجاه الحقل.
وفي حالة السلك العمودي على الحقل (α = 90°) تصبح sin α = 1 فتكتب العلاقة F = I L B.
مثال محلول
سلك نحاسي طول الجزء الموجود منه داخل حقل مغناطيسي منتظم L = 5 cm، يمر فيه تيار I = 4 A، والحقل B = 0.2 T عمودي على السلك. احسب شدة قوة لابلاس.
- نحول الطول إلى المتر:
L = 0.05 m. F = 4 × 0.05 × 0.2 × 1 = 0.04 N.
قوة لابلاس تساوي إذن 0.04 N.
ماذا يحدث عند تغيير شيء ما؟
- عكس جهتي المولد: يعكس التيار فتنعكس القوة.
- قلب المغناطيس: ينعكس الحقل فتنعكس القوة أيضا.
- عكس الاثنين معا: يبقى الاتجاه كما هو.
- توجيه السلك موازيا للحقل (
α = 0): تنعدم القوة.
تمارين
- ما حامل قوة لابلاس؟ (عمودي على السلك وعلى الحقل)
- ماذا يحدث لاتجاه القوة إذا عكسنا جهة التيار؟ (تنعكس)
- احسب
Fإذا كانI = 2 AوL = 0.1 mوB = 0.5 Tوالسلك عمودي على الحقل. (0.1 N) - متى تنعدم قوة لابلاس؟ (عندما يكون السلك موازيا للحقل أو لا يمر فيه تيار)
نصائح
- ارسم الأشعة الثلاثة قبل تطبيق قاعدة اليد.
- حول الطول إلى المتر قبل الحساب.
- استعمل اليد اليمنى دائما، لا اليسرى.
أخطاء شائعة
- الخلط بين اتجاه التيار الاصطلاحي واتجاه حركة الإلكترونات.
- عكس ترتيب الأصابع الثلاثة.
- نسيان وحدة التسلا أو تحويل السنتيمتر إلى المتر.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ لخضر سيف الله في فيديو «قوة لابلاص: تعلم الرسم والحساب بسهولة، ثانية ثانوي» هذا الدرس في نحو ثلاث وعشرين دقيقة.