Week 8 · Chapter 3 Electromagnetic Induction (A): Faraday’s experiment and the induced emf, Faraday’s law emf = −N ΔΦ/Δt, Lenz’s rule, Fleming’s right-hand rule, mutual induction (M, the henry as V·s/A) and the two-coil experiments · 3 lessons
1
تجربة فاراداي والقوة الدافعة المستحثة وقانونها
Physics Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 60–67
الهدفأتوقع متى تتولد قوة دافعة مستحثة في ملف وأحسبها بالعلاقة emf = −N ΔΦ ÷ Δt.
كلمات جديدة
القوة الدافعة المستحثة · القوة الدافعة التي تظهر في موصل أو ملف أثناء تغير الفيض المغناطيسي الذي يخترقهالفيض المغناطيسي (Φ) · Φ = BA لوجه عمودي على المجال؛ وحدته الويبر (Wb)، 1 Wb = 1 T·m²التيار المستحث · التيار الذي تدفعه القوة الدافعة المستحثة في دائرة مغلقة
الشرح
بعد أن بيّن أورستد أن التيار يولّد مجالًا مغناطيسيًا، سأل فاراداي السؤال المعاكس: هل يستطيع المجال المغناطيسي أن يولّد تيارًا؟ في تجربته (نتوقع نتيجتها هنا دون أجهزة) يوصل ملف معزول بلا بطارية بجلفانومتر حساس جدًا صفره في المنتصف. أثناء دفع المغناطيس داخل الملف ينحرف المؤشر؛ وعندما يقف المغناطيس، ولو كان داخل الملف، يعود المؤشر إلى الصفر؛ وعند سحب المغناطيس ينحرف المؤشر في الاتجاه المعاكس. إذن تتولد القوة الدافعة فقط أثناء تغير الفيض الذي يخترق الملف، لا أثناء كونه كبيرًا وثابتًا. وتزداد القوة الدافعة بزيادة معدل تغير الفيض وبزيادة عدد اللفات N: emf = −N ΔΦ ÷ Δt حيث ΔΦ = Φ(النهائي) − Φ(الابتدائي) وتُقاس في اتجاه موجب للفيض تختاره أنت. ومقدارها N|ΔΦ| ÷ Δt، وتفسير الإشارة السالبة في قاعدة لنز في الدرس التالي.
ما يحدث للمغناطيس
الجلفانومتر
السبب
يُدفع داخل الملف
ينحرف في اتجاه أثناء الحركة
الفيض داخل الملف يزداد
ساكن داخل الملف أو قربه
صفر
الفيض لا يتغير
يُسحب من الملف
ينحرف في الاتجاه المعاكس
الفيض يقل
يتحرك أسرع
انحراف أكبر
ΔΦ ÷ Δt أكبر
أمثلة محلولة
ملف عدد لفاته N = 150 يزداد الفيض فيه من 2.0 × 10⁻³ Wb إلى 8.0 × 10⁻³ Wb في 0.03 s (الاتجاه الموجب هو اتجاه الفيض الابتدائي). ΔΦ = 6.0 × 10⁻³ Wb، إذن emf = −150 × 6.0 × 10⁻³ ÷ 0.03 = −30 V. والمقدار 30 V.
ملف عدد لفاته N = 80 ومساحته 15 cm × 10 cm = 0.015 m² يواجه مجالًا يقل من 0.80 T إلى 0.20 T في 0.06 s (الاتجاه الموجب هو اتجاه المجال). ΔΦ = (0.20 − 0.80) × 0.015 = −9 × 10⁻³ Wb، إذن emf = −80 × (-9 × 10⁻³) ÷ 0.06 = +12 V. والمقدار 12 V.
ملف عدد لفاته N = 10 ومساحته 0.03 m² في مجال 0.4 T (Φ = 0.012 Wb) يُسحب خارج المجال. إذا استغرق ذلك 0.5 s كان مقدار القوة الدافعة 10 × 0.012 ÷ 0.5 = 0.24 V؛ وإذا استغرق 0.05 s كان 10 × 0.012 ÷ 0.05 = 2.4 V. سرعة أكبر عشر مرات تعطي قوة دافعة أكبر عشر مرات.
نشاط الفصل
توقّع ثم فسّر، على الورق. وُصل ملف بجلفانومتر صفره في المنتصف. لكل حالة قل هل يتحرك المؤشر ولماذا: (1) مغناطيس ساكن داخل الملف؛ (2) المغناطيس يسقط عبر الملف؛ (3) يتحرك الملف نحو المغناطيس الساكن بدلًا من العكس؛ (4) يُدار الملف حتى لا يبقى وجهه عموديًا على مجال مغناطيس ساكن. أما الملف والمغناطيس والجلفانومتر الحقيقية فمكانها معمل المدرسة مع المعلم.
تدرّب
1
ملف عدد لفاته 200 يزداد الفيض فيه من 0 إلى 3.0 × 10⁻³ Wb في 0.05 s. أوجد مقدار القوة الدافعة المستحثة.
يتغير الفيض في ملف عدد لفاته 75 من +5.0 × 10⁻³ Wb إلى −3.0 × 10⁻³ Wb في 0.04 s (الاتجاه الموجب هو اتجاه الفيض الابتدائي). أوجد emf = −N ΔΦ ÷ Δt بإشارتها.
